DE19543701A1

DE19543701A1 - Vormischbrenner

Info

Publication number: DE19543701A1
Application number: DE19543701A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Doebbeling; Adnan Dr Eroglu; Peter Dr Senior
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-11-23
Filing date: 1995-11-23
Publication date: 1997-05-28
Also published as: JPH09170729A; US5791892A; EP0775869A3; EP0775869B1; EP0775869A2; DE59607621D1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner für die Verbren nung von gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff, bei wel chem der Brennstoff als Sekundärströmung in eine gasförmige, kanalisierte Hauptströmung eingedüst wird, wobei die Sekun därströmung einen wesentlich kleineren Massenstrom aufweist als die Hauptströmung.

Stand der Technik

Aus EP 0 321 809 B1 ist ein Vormischbrenner bekannt, der sich durch niedrige NOx-Emissionswerte (ca. 25 ppm) und eine hohe Flammenstabilität auszeichnet. Dieser Vormischbrenner, auch Doppelkegelbrenner genannt, besteht aus hohlen, sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelkörpern mit tangentialen Luftein trittsschlitzen für die vom Verdichter heranströmende Ver brennungsluft auf sowie Zuführungen für gasförmige und flüs sige Brennstoffe, wobei die Mittelachsen der hohlen Teilke gelkörper eine in Strömungsrichtung sich erweiternde Kegel neigung aufweisen und in Längsrichtung zueinander versetzt verlaufen. Im Inneren des Brenners (Kegelspitze) ist eine Brennstoffdüse für den flüssigen Brennstoff angeordnet, durch die der Brennstoffin einem spitzen Winkel in den Hohlkegel eingedüst wird. Das entstehende kegelige Flüssigbrennstoff profil wird von dem tangential rotierenden Verbrennungsluft strom umschlossen, wobei in axialer Richtung die Konzentra tion des Brennstoffes infolge der Vermischung mit der Ver brennungsluft ständig abnimmt. Der Vormischbrenner kann auch mit gasförmigen Brennstoff bzw. im Mischbetrieb betrieben werden. Dabei geschieht die Gemischbildung des gasförmigen Brennstoffes mit der Verbrennungsluft bereits in den tangen tialen Lufteintrittsschlitzen, in die der gasförmige Brenn stoff über gleichmäßig verteilte Düsen eingebracht wird.

Um eine verläßliche Zündung des Gemisches am Ausgang des Brenners und einen genügenden Ausbrand zu erzielen, ist eine innige Mischung des Brennstoffes mit der Luft erforderlich. Durch die Art der Eindüsung entstehen im Innenraum des Dop pelkegelbrenners axial ausgerichtete Wirbel des Brennstoff/- Luft-Gemisches. Wenn die Wirbelzahl einen kritischen Wert erreicht hat, erfolgt der Vortex Breakdown (Aufplatzen der Wirbel) und es bildet sich stromab des Brennerausganges eine stabile Flammenfront.

Eine weitere dauerhafte Absenkung der Schadstoffemissions werte der Doppelkegelbrenner, beispielsweise auf NOx-Werte kleiner 9 ppm, durch Veränderung der Betriebsbedingungen ist wegen der auftretenden Probleme bezüglich Flammenstabilität, Pulsation und der immer höheren Verbrennungstemperaturen nicht möglich.

Ein weiterer Nachteil der Doppelkegelbrenner besteht in ihrer komplizierten geometrischen Form und den dadurch bedingten fertigungstechnischen Schwierigkeiten.

Aus EP 0 619 456 A1 ist ein Brennstoffzufuhrsystem für eine Brennkammer mit Vormischverbrennung bekannt, in welcher ein gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff als Sekundärströ mung in eine gasförmige, kanalisierte Hauptströmung eingedüst wird, wobei die Sekundärströmung einen wesentlich kleineren Massenstrom aufweist als die Hauptströmung und wobei der durchströmte Vormischkanal gekrümmte Wände aufweist. In einer Ausführungsform ist der Kanal ringförmig und an der äußeren als auch inneren Ringwand sind eine gleiche Anzahl von Wir bel-Generatoren in Umfangsrichtung aneinandergereiht.

Diese Wirbel-Generatoren weisen drei sich in Strömungsrich tung erstreckende, frei umströmte Flächen auf, von denen eine die Dach- und die beiden anderen die Seitenflächen bilden. Die Seitenflächen sind mit einer gleichen Kanalwand bündig und schließen miteinander einen Pfeilwinkel α ein. Die Dach fläche liegt mit einer quer zum durchströmten Kanal verkau fenden Kante an dergleichen Kanalwand an wie die Seitenflä chen und die längsgerichteten Kanten der Dachfläche, die bün dig sind mit den in den Strömungskanal hineinragenden längs gerichteten Kanten der Seitenflächen, verlaufen unter einem Anstellwinkel e zur Kanalwand. Es sind auch halbe Wirbel-Ge neratoren möglich, bei denen nur die eine der beiden Seiten flächen des Wirbel-Generators mit einem Pfeilwinkel α/2 ver sehen ist, während die andere Seitenfläche gerade und in Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Die Verbindungskanten von je zwei gegenüberliegenden Wirbel-Generatoren können dabei auf der gleichen Radialen liegen oder um eine halbe Teilung versetzt sein.

Mit diesem bekannten Brennstoffzufuhrsystem nach EP 0 619 456 A1 wird erreicht, daß in einer sehr kurzen Strecke Brennluft und Brennstoff innig vermischt werden und gleichzeitig in der Mischzone eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung er reicht wird. Aussagen bezüglich Erreichen einer ausreichenden Flammenstabilität fehlen aber hier. Da dieses Brennstoffzu fuhrsystem für eine selbstzündende Brennkammer angewendet wird, ist in diesem Falle auch keine Flammenstabilisierung notwendig.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vormischbren ner für die Verbrennung von gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff zu entwickeln, mit dem extrem niedrige NOx-Emis sionen erreicht werden, wobei sich der Brenner durch eine einfache Geometrie und ein zuverlässiges Betriebsverhalten auszeichnen soll. Bei dem Brenner soll innerhalb kürzester Strecke eine innige Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff erreicht werden bei gleichzeitiger gleichmäßiger Geschwindigkeitsverteilung in der Mischzone, wobei ferner mit einem solchen Brenner ohne Verwendung eines mechanischen Flammenhalters ein Rückschlagen der Flamme mit Sicherheit vermieden werden soll.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Vormischbrenner gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1, welcher mit einem Brenn stoffzufuhrsystem arbeitet, das aus EP 0 619 456 A1 bekannt ist, dadurch erreicht, daß die verwendeten Wirbel-Generato ren solche Wirbel erzeugen, welche nach der Mischung des Brennstoffes mit der Luft der Brennstoff/Luft-Gemischströmung einen Restwirbel hinterlassen, daß der von den Kanalwänden gebildete ringförmige Hauptströmungskanal mit einer konstan ten Höhe eine Länge stromabwärts der Wirbel-Generatoren und der Brennstoffeindüsung aufweist, die im Bereich zwischen dem 5- bis 20-fachen seiner Höhe liegt und daß sich der ringför mige Hauptströmungskanal anschließend durch Schließung der inneren Zylinderwand zu einem kreisförmigen Hauptströmungska nal erweitert.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß durch das Brennstoffzufuhrsystem und den Einsatz der Wirbel-Generatoren einerseits eine intensive vollständige Mischung von Brenn stoff und Verbrennungsluft in einer sehr kurzen Mischstrecke ohne Ablösegebiete und mit gleichmäßigem Geschwindigkeits profil erfolgt, was eine Voraussetzung für eine Minimierung der NOx-Gehalte ist und daß andererseits auf Grund des von den Wirbel-Generatoren erzeugten Restwirbels, der nach der Mischung in der Brennstoff/Luft-Gemischströmung noch vorhan den ist, die Rezirkulationszone positiv beeinflußt wird, was die Flammenstabilität erhöht und die Quermischung der ver schiedenen Brenner in einer ringförmigen Brennkammer verbes sert. Der erfindungsgemäße ringförmige Vormischbrenner zeichnet sich weiterhin durch eine einfache Geometrie aus und ist deshalb konstruktiv leicht herstellbar.

Zur Ausbildung der Rezirkulationszone, welche als Zündquelle für heranströmendes frisches Brennstoff/Luft-Gemisch dient, ist es außerdem notwendig, daß sich nach einer ausreichen den Länge des ringförmigen Vormischstrecke der innere Zylin der schließt. Das kann in zweckmäßiger Weise allmählich oder sprunghaft erfolgen, so daß sich der Hauptströmungska nal entweder allmählich erweitert oder aber ein plötzlicher Übergang vom Ringkanal zum Kreiskanal erfolgt. Die Rezirkula tionszone bildet sich dann im kreisförmigen Querschnitt aus.

Es ist vorteilhaft, wenn "halbe" Wirbel-Generatoren des Del tawing-Typs verwendet werden, wobei ein Wirbel-Generatoren drei frei umströmte Flächen aufweist, die sich in Strömungs richtung erstrecken und von denen eine die Dachfläche und die beiden anderen die Seitenflächen bilden, daß die Seitenflä chen mit einer gleichen Kanalwand bündig sind und eine Sei tenfläche mit einem halben Pfeilwinkel versehen ist, während die andere Seitenfläche gerade und in Strömungsrichtung aus gerichtet ist, daß die Dachfläche mit einer quer zum durch strömten Ringkanal verlaufenden Kante an der gleichen Kanal wand anliegt wie die Seitenflächen, und daß die längsgerich teten Kanten der Dachfläche, die bündig sind mit den in den Strömungskanal hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen unter einem Anstellwinkel zur Kanalwand verlau fen.

Bei Verwendung dieses Typs von Wirbel-Generatoren, die in Um fangsrichtung aneinandergereiht sind, kombinieren sich die Wirbel, die alle den gleichen Drehsinn aufweisen, zu einen großen rotierenden Wirbel.

Schließlich werden mit Vorteil im Vormischbrenner Wirbel-Ge neratoren angeordnet, welche annähernd die Form eines recht winkligen Dreieckes geringer Dicke aufweisen, wobei die bei den umströmten dreieckigen Seitenflächen parallel zueinander verlaufen und gemeinsam mit der Dachfläche die Verbindungs fläche umfassen, wobei die Dachfläche mit einer Kante und die Verbindungsfläche mit einer Kante an der gleichen Kanalwand anliegen wie die beiden Seitenwände.

Werden diese Wirbel-Generatoren über den Umfang der beiden Zylinderwänden gleichmäßig verteilt angeordnet und zwar so, daß zwei sich gegenüberliegende Wirbelgeneratoren jeweils um eine halbe Teilung versetzt sind, dann ist die Drallrichtung an den sich gegenüberliegenden Wirbel-Generatoren gleich und die Hauptströmung bekommt einen recht großen Drall aufge zwungen, der sowohl für eine vollständige Mischung mit dem Brennstoff reicht, als auch einen Restwirbel für die Flammen stabilisation bereitstellt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Er findung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Vor mischbrenners;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt einer zweiten Ausführungsva riante des Vormischbrenners;

Fig. 3 einen Teillängsschnitt einer dritten Ausführungsva riante des Vormischbrenners;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines "halben" Wirbel-Generators des Delta-Flügel-Typs;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer anderen Aus führungsvariante des Wirbel-Generators;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante des Wirbel-Generators;

Fig. 7 eine Anordnungsvariante der Wirbel-Generatoren nach Fig. 4 im Ringkanal;

Fig. 8 eine weitere Anordnungsvariante der Wirbel-Genera toren nach Fig. 4 im Ringkanal;

Fig. 9 eine Anordnungsvariante der Wirbel-Generatoren nach Fig. 6 im Ringkanal;

Fig. 10 eine Anordnungsvariante der Wirbel-Generatoren nach Fig. 5 im Ringkanal.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind erfindungsunwe sentliche Elemente, beispielsweise Gehäuse, Befestigungen und Leitungsdurchführungen. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmit tel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und der Fig. 1 bis 10 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt eine mögliche Ausführungs form des erfindungsgemäßen ringförmigen Vormischbrenners. Er besteht im wesentlichen aus zwei Zylindern mit voneinander verschiedenem Durchmesser, welche konzentrisch zueinander angeordnet sind, so daß die inneren Zylinderwand 21a und die äußere Zylinderwand 21b einen Ringkanal 20 begrenzen. Im Eintrittsbereich des Kanals 20 sind Wirbel-Generatoren 9 an geordnet, deren Form und Wirkungsweise weiter unten beschrie ben wird. Der Kanal 20 weist eine konstante Höhe H auf und hat stromabwärts der Wirbel-Generatoren eine Länge L, die im Bereich zwischen dem 5- bis 20-fachen seiner Höhe H liegt und die Vormischstrecke für Verbrennungsluft 1 und gasförmigen Brennstoff 2 bildet. Über Rohrleitungen 3 wird unmittelbar stromabwärts der Wirbel-Generatoren 9 gasförmiger Brennstoff 2 über Öffnungen 4 in der äußeren Zylinderwand 21b als Se kundärströmung in die Hauptströmung des Ringkanals 20 einge düst und mit der Verbrennungsluft 1 vermischt. Die Einbrin gung des gasförmigen Brennstoffes 2 könnte selbstverständlich auch an der inneren Zylinderwand 21a bzw. am besten an beiden Wänden 21a und 21b erfolgen, wie im unteren Teilbild von Fig. 1 dargestellt ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Variante schließt sich nach der Vormischstrecke die innere Zylinderwand 21a allmählich, so daß der innere Zylinder von einer Kegelspitze abgeschlos sen wird. Die äußere Zylinderwand 21b verengt sich im Be reich der Kegelspitze zunächst ebenfalls, bevor sie dann einen kreisförmigen Querschnitt umschließt, in welchem sich eine Rezirkulationszone ausbildet, die als Zündquelle für an kommendes frisches Brennstoff/Luft-Gemisch dient.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsvariante des ringförmi gen Vormischbrenners dargestellt. Im Unterschied zu Fig. 1 schließt sich hier der innere Zylinder nach einer genügend langen Vormischstrecke (Länge L ist ca. das 5- bis 20-fache der Kanalhöhe H) plötzlich, so daß der Übergang vom Ring kanal 20 zum Kreiskanal, in dem sich die Rezirkulationszone 22 ausbildet, abrupt erfolgt. Der gasförmige Brennstoff 2 wird hierbei über Öffnungen von am inneren und äußeren Zy linder unmittelbar stromabwärts der Wirbel-Generatoren 9 an gebrachten ringförmigen Brennstoffzuführungsleitungen 5 als Sekundärströmung in die durch die Wirbel-Generatoren verwir belte Hauptströmung eingebracht und intensiv mit der Luft vermischt.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsvariante des Vormisch brenners. Wie in den obigen Beispielen sind auch hier im Ringkanal 20 Wirbel-Generatoren 9 angeordnet, über die die Luft 1 als Hauptströmung geführt und verwirbelt wird, bevor unmittelbar stromab der Wirbel-Generatoren 9 gasförmiger Brennstoff eingedüst wird. Zwecks Verstärkung des Wirbel-Ef fektes sind stromauf der Wirbel-Generatoren 9 Umlenkschaufeln 8 im Ringkanal 20 angeordnet. Der gleiche Effekt kann erzielt werden, wenn die Hauptströmung den Ringraum über tangentiale Schlitze (hier nicht dargestellt) in den Ringraum 20 gelangt und dadurch eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente er hält. Der innere Zylinder schließt sich auch hier allmäh lich, allerdings nicht zu einer Kegelspitze, sondern zu einer Halbkugel. Im inneren Zylinder sind Leitungen 6 für die Zu fuhr von flüssigem Brennstoff 7 angeordnet, welcher am Ende der Vormischstrecke für die Verbrennungsluft 1 und den gas förmigen Brennstoff 2 aus im halbkugelförmigen Ende des inne ren Zylinders angeordneten Düsen in den kreisförmigen Quer schnitt des Brenners eingedüst wird.

Selbstverständlich kann in einer anderen, nicht zeichnerisch dargestellten Ausführungsvariante anstelle der Eindüsung von gasförmigem Brennstoff 2 in den Ringkanal 20 auch flüssiger Brennstoff 7, beispielsweise über eine Brennstofflanze einge bracht werden und mit der durch die Wirbel-Generatoren ver wirbelten Luft im Ringraum 20 vermischt werden.

Die im Ringkanal 20 installierten Wirbel-Generatoren 9 können unterschiedliche Formen aufweisen. Wesentlich für die Erfin dung ist, daß sie Längswirbel ohne Rezirkulationsgebiet er zeugen und dadurch innerhalb kürzester Strecke eine vollstän dige Mischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft er möglichen, andererseits nach dem Mischen ein Restwirbel in der Strömung verbleibt, welcher längs des Nachlaufes des in neren Zylinders vorhanden ist. Dieser Restwirbel beeinflußt die Rezirkulationszone und sorgt einerseits für eine hohe Flammenstabilität und andererseits für eine gute Quermischung der verschiedenen Brenner in der Ringbrennkammer.

Die in den obigen Ausführungsbeispielen schematisch abgebil dete Wirbel-Generatoren 9 sind halbe Delta-Flügel, d. h. (siehe Fig. 4) daß ein Wirbel-Generator 9 drei frei um strömte Flächen 10, 11, 12 aufweist, die sich in Strömungs richtung erstrecken und von denen eine die Dachfläche 10 und die beiden anderen die Seitenflächen 11, 13 bilden, daß die Seitenflächen 11, 13 mit einer gleichen Kanalwand 21 bündig sind und eine Seitenfläche 11 mit einem Pfeilwinkel α/2 ver sehen ist, während die andere Seitenfläche 13 gerade und in Strömungsrichtung ausgerichtet ist, daß die Dachfläche 10 mit einer quer zum durchströmten Kanal 20 verlaufenden Kante 15 an der gleichen Kanalwand 21 anliegt wie die Seitenflächen 11, 13, und daß die längsgerichteten Kanten 12, 14 der Dach fläche 10, die bündig sind mit den in den Strömungskanal 21 hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen 11, 13 unter einem Anstellwinkel Θ zur Kanalwand 21 verlaufen. Die beiden Seitenflächen 11, 13 umfassen eine Verbindungs kante 16 miteinander, welche zusammen mit den längsgerichte ten Kanten 12, 14 der Dachfläche 10 eine Spitze 18 bildet, wobei die Verbindungskante in der Radialen der gekrümmten Ka nalwand 21 verläuft. Die Verbindungskante 16 und/oder die längsgerichteten Kanten 12, 14 der Dachfläche 10 sind dabei zumindestens annähernd scharf ausgebildet.

In den Fig. 4 bis 6 ist der eigentliche Kanal, der von ei ner mit großem Pfeil symbolisierten Hauptströmung durch strömt ist, nicht dargestellt.

Es ist von Vorteil, wenn die Verbindungskante 16 der in der Fig. 4 beschriebenen Wirbel-Generatoren 9 die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators 9 bildet und die quer zum durch strömten Kanal 20 verlaufende Kante 15 der Dachfläche 10 die von der Hauptströmung zuerst beaufschlagte Kante ist, weil sich dadurch der Wirbel besonders gut aufbauen kann.

Die Wirkungsweise des Wirbel-Generators ist folgende: Beim Umströmen der Kante 14 der mit dem halben Pfeilwinkel α/2 versehenen Seitenfläche 11 wird die Hauptströmung in einen Wirbel umgewandelt, dessen Achse in der Achse der Hauptströ mung liegt. An der geraden Seitenfläche 13, die in Strömungs richtung der Hauptströmung ausgerichtet ist, wird kein Wirbel erzeugt, so daß der Strömung ein Drall aufgezwungen wird und kein wirbelneutrales Feld vorliegt. Wird nun unmittelbar stromab der Wirbel-Generatoren 9 der Brennstoff wie oben be schrieben als Sekundärströmung in die Hauptströmung eingelei tet, so kommt es zu einer intensiven Vermischung der Verbren nungsluft 1 und des Brennstoffes 2.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Wirbel-Gene rators 9a, welcher für den erfindungsgemäßen Vormischbrenner eingesetzt werden kann. Der Wirbel-Generator 9a weist annä hernd die Form eines rechtwinkligen Dreiecks geringer Dicke auf, wobei die beiden umströmten dreieckigen Seitenflächen 11, 13 parallel zueinander verlaufen und gemeinsam mit der Dachfläche 10 die Verbindungsfläche 19 umfassen, wobei die Dachfläche 10 mit einer Kante 15 und die Verbindungsfläche 19 mit einer Kante 17 an der gleichen Kanalwand anliegen wie die beiden Seitenwände 11, 13 und die Seitenflächen 11, 13 mit der Hauptströmungsrichtung der ankommenden Luft einen Winkel β bilden. Die Dachfläche 10 kann auch konkav oder konvex ge krümmt sein. Das hat im Vergleich zu Wirbel-Generatoren 9a mit einer geraden Dachfläche den Vorteil, daß die gleiche Wirbelstärke bei einem geringeren Druckabfall erzeugt werden kann. Ein weiterer Vorteil der Wirbel-Generatoren 9a besteht darin, daß sie äußerst einfach hergestellt werden können, beispielsweise durch Ausstanzen dünner Bleche. Da die Breite der Dachfläche 10 bei den Wirbel-Generatoren 9a äußert ge ring ist, erfolgt praktisch die Wirbelbildung nur an einer Seite und es entsteht ein sehr großer Wirbel, der die Brennstoff/Luft-Gemischbildung positiv beeinflußt.

Fig. 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des in Fig. 5 dargestellten Wirbel-Generators 9a, bei dem die beiden Sei tenflächen 11 und 13 nicht die Form eines rechtwinkligen Dreiecks haben, sondern trapezförmig ausgebildet sind. Auch diese Wirbel-Generatoren 9a sind hervorragend zur Wirbelerzeugung geeignet.

Die Fig. 7 bis 10 zeigen verschiedene Anordnungsvarianten der Wirbel-Generatoren 9 bzw. 9a im Ringkanal 20 des Vor mischbrenners.

In Fig. 7 sind Wirbel-Generatoren 9 nach Fig. 4 sowohl an der inneren Zylinderwand 21a, als auch an der äußeren Zylinder wand 21b angeordnet. Sie haben eine Höhe h, die fast die ge samte Kanalhöhe H ausfüllt.

In Fig. 8 sind die Wirbel-Generatoren 9, die an der inneren Zylinderwand 21a angeordnet sind kleiner als die an der äußeren Wand 21b angeordneten, ihre Höhe h beträgt nur ca. H/2, während die Höhe h der äußeren Wirbel-Generatoren 9 gleich der Kanalhöhe H ist. Durch den Einsatz von Wirbel- Generatoren 9 unterschiedlicher Geometrie entstehen Wirbel unterschiedlicher Stärke, was sich günstig auf den zur Flam menstabilisierung notwendigen Restwirbel auswirkt.

Fig. 9 zeigt eine Anordnung von Wirbel-Generatoren 9a mit ei ner Geometrie gemäß Fig. 6. Ihre Höhe h entspricht der Ka nalhöhe H, d. h. sie füllen die gesamte Kanalhöhe H aus. Der abgeflachte Teil der Dachfläche 13 grenzt dabei an die innere Zylinderwand 21a. Die entstehenden Wirbel sind mit Pfeilen gekennzeichnet.

Schließlich ist in Fig. 10 eine Anordnungsvariante der Wir bel-Generatoren 9a gemäß Fig. 5 im Ringkanal 20 dargestellt. Die Wirbel-Generatoren 9a sind sowohl an der inneren Zylin derwand 21a, als auch an der äußeren Zylinderwand 21b ange ordnet, beispielsweise aufgeschweißt. Zwei gegenüberliegen den Wirbel-Generatoren 9a sind jeweils um eine halbe Teilung zueinander in Umfangsrichtung versetzt, so daß die Drall richtung Außen und Innen gleich ist und die Wirbel sich wie gewünscht zu einem großen Wirbel summieren, der sowohl aus reichend ist zur vollständigen Mischung von Luft und Brenn stoff als auch anschließend als Restwirbel zur Flammenstabi lisierung beiträgt.

Der Vormischbrenner ist auch vorzüglich für den Betrieb bei Teillast geeignet, weil es aufgrund der Geometrie des Bren ners problemlos möglich ist, Pilotgas bzw. Sekundärgas direkt in die Rezirkulationszone einzudüsen. Dadurch wird die Stabi litätsgrenze des Brenners vergrößert.

Eine mögliche Rückschlaggefahr existiert beim erfindungs gemäßen Brenner nicht, da hohe Strömungsgeschwindigkeiten in der Mischzone vorherrschen und durch die Wahl des oben be schriebenen Wirbel-Generator-Typs keine Rezirkulationsgebiete in der Mischzone erzeugt werden. Es ist außerdem problemlos möglich, mit mehreren erfindungsgemäßen Vormischbrennern eine Ringbrennkammer zu betreiben.

Bezugszeichenliste

1 Verbrennungsluft
2 Brennstoff
3 Rohrleitung
4 Öffnung in Pos. 21
5 Ringleitung
6 Leitung für flüssigen Brennstoff
7 flüssiger Brennstoff
8 Umlenkschaufel
9, 9a Wirbel-Generator
10 Dachfläche
11 Seitenfläche
12 Längskante
13 Seitenfläche
14 Längskante
15 quer verlaufende Kante von Pos. 10
16 Verbindungskante
17 Kante von 19
18 Spitze
19 Verbindungsfläche
20 Ringkanal
21a, b Zylinderwand
22 Rezirkulationszone
α Pfeilwinkel
β Winkel zwischen Hauptströmungsrichtung und Pos. 13
Θ Anstellwinkel
h Höhe von Pos. 9, 9a
H Höhe von Pos. 20
L Länge von Pos. 20

Claims

1. Vormischbrenner für die Verbrennung von gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff, wobei der Vormischbrenner mit einem Brennstoffzufuhrsystem arbeitet, bei welchem der Brennstoff als Sekundärströmung in eine gasförmige, kanalisierte Hauptströmung eingedüst wird, wobei die Se kundärströmung einen wesentlich kleineren Massenstrom aufweist als die Hauptströmung, der durchströmte Vor mischkanal (20) ringförmig ist und von einer inneren (21a) und einer äußeren Zylinderwand (21b) begrenzt ist und wobei die Hauptströmung über Wirbel-Generatoren (9, 9a), welche Längswirbel ohne Rezirkulationsgebiet erzeu gen, geführt wird, von denen über den Umfang des Ringka nals (20) an mindestens einer Kanalwand (21) mehrere ne beneinander angeordnet sind, und unmittelbar stromab wärts der Wirbel-Generatoren (9, 9a) an der inneren und/oder äußeren Kanalwand (21a, 21b) Mittel zur Eindü sung von Brennstoff angeordnet sind, dadurch gekenn zeichnet,

- daß die Wirbel-Generatoren (9, 9a) solche Wirbel erzeugen, welche nach der vollständigen Mischung des Brennstoffes mit der Luft der Brennstoff/Luft- Gemischströmung einen Restwirbel hinterlassen,
- daß der von den Kanalwänden (21a, 21b) gebildete ringförmige Hauptströmungskanal (20) mit einer kon stanten Höhe (H) eine Länge (L) stromabwärts der Wirbel-Generatoren (9) und der Brennstoffeindüsung aufweist, die im Bereich zwischen dem 5- bis 20-fa chen seiner Höhe (H) liegt und
- daß sich der ringförmige Hauptströmungskanal (20) anschließend durch Schließung der inneren Zylinderwand (21a) zu einem kreisförmigen Hauptströ mungskanal erweitert.

2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Hauptströmungskanal allmählich erweitert.

3. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Hauptströmungskanal sprunghaft erweitert.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein Wirbel-Generatoren (9) drei frei umströmte Flächen (10, 11, 12) aufweist, die sich in Strö mungsrichtung erstrecken und von denen eine die Dachfläche (10) und die beiden anderen die Seiten flächen (11, 13) bilden,
- daß die Seitenflächen (11, 13) mit einer gleichen Kanalwand (21) bündig sind und eine Seitenfläche (11) mit einem halben Pfeilwinkel (α/2) versehen ist, während die andere Seitenfläche (13) gerade und in Strömungsrichtung ausgerichtet ist,
- daß die Dachfläche (10) mit einer quer zum durch strömten Kanal (20) verlaufenden Kante (15) an der gleichen Kanalwand (21) anliegt wie die Seitenflä chen (11, 13),
- und daß die längsgerichteten Kanten (12, 14) der Dachfläche (10), die bündig sind mit den in den Strömungskanal (21) hineinragenden längsgerichteten Kanten der Seitenflächen (11, 13) unter einem An stellwinkel (Θ) zur Kanalwand (21) verlaufen.

5. Vormischbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seitenflächen (11, 13) eine Verbindungs kante (16) miteinander umfassen, welche zusammen mit den längsgerichteten Kanten (12,14) der Dachfläche (10) eine Spitze (18) bildet, und daß die Verbindungskante in der Radialen der gekrümmten Kanalwand (21) verläuft.

6. Vormischbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskante (16) und/oder die längsgerich teten Kanten (12, 14) der Dachfläche zumindestens annä hernd scharf ausgebildet sind.

7. Vormischbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskante (16) die stromabwärtige Kante des Wirbel-Generators (9) bildet und die quer zum durch strömten Kanal (20) verlaufende Kante (15) der Dachflä che (10) die von der Hauptströmung zuerst beaufschlagte Kante ist.

8. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel-Generatoren (9a) annähernd die Form eines rechtwinkligen Dreiecks geringer Dicke aufweisen, die beiden umströmten dreieckigen Seitenflächen (11, 13) parallel zueinander verlaufen und gemeinsam mit der Dachfläche (10) die Verbindungsfläche (19) umfassen, wo bei die Dachfläche (10) mit einer Kante (15) und die Verbindungsfläche (19) mit einer Kante (17) an der glei chen Kanalwand anliegen wie die beiden Seitenwände (11, 13) und die Seitenflächen (11, 13) mit der Hauptströ mungsrichtung der ankommenden Luft einen Winkel (β) bilden.

9. Vormischbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (11, 13) der Wirbel-Generatoren (9a) trapezförmig ausgebildet sind.

10. Vormischbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dachfläche (10) konvex oder konkav ausgebildet ist.

11. Vormischbrenner nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verbindungsfläche (19) die stromab wärtige Fläche des Wirbel-Generators (9a) bildet und die quer zum durchströmten Kanal (20) verlaufende Kante (15) der Dachfläche (10) die von der Hauptströmung zuerst be aufschlagte Kante ist.

12. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 4, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) des Wirbel-Ge nerators (9, 9a) der Höhe (H) des Kanales (20) ent spricht.

13. Vormischbrenner nach Anspruch 4 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, daß an der inneren Kanalwand (21a) und an der äußeren Kanalwand (21b) ein gleiche Anzahl an Wirbel- Generatoren (9, 9a) angeordnet sind, wobei je zwei ge genüberliegende Wirbel-Generatoren (9, 9a) um eine halbe Teilung versetzt angeordnet sind.

14. Vormischbrenner nach Anspruch 4 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, daß an der inneren Kanalwand (21a) und an der äußeren Kanalwand (21b) eine gleiche Anzahl an Wirbel- Generatoren (9, 9a) angeordnet sind, wobei die inneren und die äußeren Wirbel-Generatoren (9, 9a) eine unter schiedliche Geometrie aufweisen.

15. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmige Brennstoff über Öffnungen in der inneren und/oder äußeren Kanalwand (21a, 21b) stromabwärts der Wirbelgeneratoren (9, 9a) zugeführt wird.

16. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiger Brennstoff über eine stromabwärts der Wirbel-Generatoren (9, 9a) angeordnete Lanze eingedüst wird.

17. Vormischbrenner nach Anspruch 15 oder 16, dadurch ge kennzeichnet, daß zusätzlich flüssiger Brennstoff am Ende des inneren Zylinders eingedüst wird.