DE19654008A1 - Brenner - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

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

Stand der Technik

Aus EP-B1-0 321 809 ist ein aus mehreren ineinandergeschach­ telten Schalen bestehender kegelförmiger Brenner zur Erzeu­ gung einer geschlossenen Drallströmung im Kegelkopf bekannt­ geworden. Diese Drallströmung wird aufgrund des zunehmenden Dralls entlang der Kegelspitze instabil, und geht dann in eine annulare Drallströmung mit einer Rückströmblase im Kern über. Gasförmige Brennstoffe werden bei diesem Brenner vor­ zugsweise in Strömungsrichtung entlang von Lufteintrittskanä­ len eingedüst und homogen mit der dort einströmenden Luft vermischt, bevor die Verbrennung durch Zündung am Staupunkt der Rückströmblase einsetzt. Die Lufteintrittskanäle werden durch die in Längsrichtung des Brenners zueinander versetzt verlaufenden Schalen gebildet. Die Rückströmblase entfaltet die Funktion eines körperlosen Flammenhalters. Flüssige Brennstoffe werden vorzugsweise über eine zentrale Düse am Brennerkopf eingedüst, und sie verdampfen dann im von den Schalen gebildeten Kegelhohlraum. Beim Betrieb eines solchen Brenners, der sich unbestritten durch minimalen Schadstoff- Emissionen auszeichnet, hat sich jedoch gezeigt, daß für den Betrieb mit einem gasförmigen Brennstoff an sich eine längere Vormischstrecke von Vorteil wäre, während beim Betrieb mit einem flüssigen Brennstoff die lange Vormischstrecke dann Kompromisse hinsichtlich der Eindüsung des flüssigen Brenn­ stoffes erheischt.

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 eine Ausgestaltung vorzuschlagen, mit welcher bei minimierter Bau­ länge eine optimale Vermischung und Verbrennung mit beiden Brennstoffarten möglich ist.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Länge des aus einer Kombination von kegelförmigen Strömungskanälen ausgebildeten Brenners insoweit minimiert wird, daß der Betrieb mit einem flüssigen Brennstoff, unter erfindungsgemäßer Ausschaltung einer Eindüsung dieses Brenn­ stoffes am Brennerkopf, optimal gestaltet werden kann; gleichzeitig wird die Strömungsführung der Luft so gehalten, daß der Betrieb mit einem gasförmigen Brennstoff durch die verkürzte Vormischstrecke keine Nachteile erleidet. Durch die Kompaktheit des erfindungsgemäßen Brenners läßt sich sodann die Brennerluftzuströmung aus dem Plenum zu den Brennern op­ timal gestalten, insbesondere, wenn die Kraftwerksanlage mit einer Ringbrennkammer betrieben wird.

Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brenners ist auf eine zweifache Vormischoperation beim Betrieb mit einen gasförmigen Brennstoff ausgerichtet, wobei beim Einsatz eines flüssigen Brennstoffes eine vorzugsweise in einer Ebene fein aufgeteilte Eindüsung dieses Brennstoffes gewählt wird, und wobei diese Eindüsung im wesentlich stromab der Vormisch­ strecke für einen gasförmigen Brennstoff geschieht. Am Aus­ gang des Brenners bildet sich nach wie vor eine stabile Rück­ strömblase, unabhängig davon, mit welchem Brennstoff der Brenner betrieben wird, d. h., die durchströmten Teile dieses Brenners erzeugen jene für die Bildung der Rückströmblase notwendige Drallströmung.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Aufgabenlösung sind in den weiteren Ansprüchen ge­ kennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmit­ telbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Ele­ mente sind fortgelassen worden. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen verse­ hen. Die Strömungsrichtung der verschiedenen Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 ein dreidimensionales Bild eines aus mehreren ke­ gelförmigen Kanälen gebildeten Brenners,

Fig. 2 eine Ansicht in Längsrichtung dieses Brenners ge­ mäß Schnittebene II-II in Fig. 3 und

Fig. 3 eine Ansicht durch die Schnittebene III-III in Fig. 2.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt in dreidimensionaler Ansicht einen Brenner 1, welcher im wesentlichen aus einer Kombination von mehreren in verschiedenen Ebenen durchströmbaren Teilkörpern besteht, wo­ bei diese Teilkörper in betrieblicher Hinsicht eine Interde­ pendenz zueinander aufweisen. Ein innerer Teilkörper 2 weitet sich, was den Durchflußquerschnitt betrifft, in Strömungs­ richtung zunächst kegelförmig aus, um dann in seiner Endphase im wesentlichen in eine innere zylindrische Auslaufform 3 überzugehen. Etwa im Bereich dieses Überganges wird der ge­ nannte innere kegelförmige Teilkörper 2 vom einem weiteren Teilkörper 4 konzentrisch ummantelt, der sich aber, was sei­ nen Durchflußquerschnitt betrifft, in Gegenstromrichtung ke­ gelförmig ausweitet, also gegenüber jenem in entgegengesetz­ ter Richtung, dergestalt, daß sich die beiden Teilkörper 2, 4 zu einem zentralen Strömungskörper 2/4 verschmelzen, so daß sie einen in axialer Richtung geschlossenen Anströmungs­ raum 5 bilden, der selbst die Form eines in Strömungsrichtung mit abnehmenden Querschnitt hohlen Kegelstumpfes beschreibt. Die verschachtelnde Verschmelzung der beiden Teilkörper 2, 4 zu einem einzigen zentralen Strömungskörper 2/4 ergeben, zweidimensional betrachtet, in etwa ein M-förmiges Gebilde, wie dies aus Fig. 2 näher hervorgeht. Die bereits genannte innere zylindrische Auslaufform 3 bildet sonach den Übergang zwischen dem endseitigen Verlauf des inneren Teilkörpers 2 und dem Anfang des äußeren Teilkörpers 4. Ein weiteres kon­ zentrisches Rohr 8 ummantelt den zentralen Strömungskörper 2/4, wobei der dadurch entstehende ringförmige Durchfluß­ querschnitt 7 dieses Rohres 8 gegenüber der Umfangsfläche des zentralen Strömungskörpers 2/4 in Strömungsrichtung kegelför­ mig zunimmt. Stromab der zur inneren zylindrischen Auslauf­ form gehörenden Stirnfläche 9 geht der ringförmige Durch­ flußquerschnitt 7 des konzentrischen Rohres 8 in einen diffusorähnlichen Querschnitt 10 über. Sowohl der innere ke­ gelförmige Teilkörper 2 als auch der äußere kegelförmige Teilkörper 4 weisen eine Anzahl in Strömungsrichtung tangen­ tial verlaufender Schlitze 11, 12 auf, durch welche der Hauptanteil der zur Verfügung stehenden und in den axial ge­ schlossenen Raum 5 einfließenden Verbrennungsluft 13 unter Bildung einer Drallströmung einerseits in den Innenraum 6 des inneren kegelförmigen Teilkörpers 2 und andererseits in den ringförmigen Durchflußquerschnitt 7 strömt, wie die in der Figur angebrachten Pfeilen 18, 19 versinnbildlichen wollen. Eine kleinere Menge 14 von der gesamthaft zur Verfügung ste­ henden Verbrennungsluft strömt zentral durch eine kopfseitige Öffnung 16 des inneren kegelförmigen Teilkörpers 2 in den Innenraum 6. Eine weitere kleinere Menge 15 von der gesamt­ haft zur Verfügung stehenden Verbrennungsluft strömt axial durch die kopfseitige ringförmige Öffnung 17 in den ringför­ migen Durchflußquerschnitt 7. Die Brennstoffzuführungen und deren Beimischungen sind in dieser Fig. 1 nur andeutungsweise dargestellt. Die Betriebsweise dieses Brenners 1 wird unter den Fig. 2 und 3 näher dargelegt. Ersichtlich sind in dieser Fig. 1 die einzelnen Brennstoffzuführungen, welche ringlei­ tungsmäßig das untere Ende des konzentrischen Rohres 8 er­ fassen. Grundsätzlich sind hier drei Brennstoffringleitungen 20, 21, 22 vorgesehen, deren Brennstoffe über Verbindungs­ stege 23 zu dem zentralen Strömungskörper 2/4 geleitet wer­ den. Ein über die Leitung 20 geführter flüssiger Brennstoff A durchströmt den äußeren Teilkörper 4 und mündet zunächst in eine endseitig desselben angeordnete Ringleitung 20a, von wo aus dieser Brennstoff A dann über eine Anzahl axial geführter und über den Umfang verteilter Düsen 20b stirnseitig in die dort wirkende Drallströmung eingespritzt wird. Über die Ringleitung 21 wird ein erstes Premix-Gas (Vgl. Fig. 3, Pos. B) eingegeben, welches zunächst auch in eine endseitig ange­ ordnete Ringleitung 21a des äußeren Teilkörpers 4 mündet, um von hier aus zu den tangentialen Schlitzen 11 des inneren Teilkörpers 2 geleitet zu werden. Anschließend wird dieser Brennstoff über hier nicht ersichtliche Brennstoffdüsen (Vgl. Fig. 3) in die dort durch die genannten Schlitze strömende Luftdurchströmung 18 eingemischt (Vgl. Fig. 3). Über die Ringleitung 22 wird ein zweites Premix-Gas (Vgl. Fig. 3, Pos. C) in den äußeren Teilkörper 4 eingebracht, welches nun di­ rekt über die tangentialen Schlitze 19 dieses Teilkörpers 4 in die dort durchströmende Luftdurchströmung 19 eingedüst (Vgl. Fig. 3) wird. Der Verlauf der Teilkörper 2, 4 ist nicht auf einen regelmäßigen konischen Verlauf beschränkt, sondern diese können einen Konfusor oder konfusorähnlichen sowie Dif­ fusor oder diffusorähnlichen Verlauf bilden. Die in der Be­ schreibung verwendete Bezeichnung "kegelförmig" kann ohne weiteres eine solche Ausbildung abdecken.

Fig. 2 zeigt einen Aufriß des Brenners 1 gemäß Schnittebene II-II in Fig. 3. Aus dieser Fig. 2 ist recht gut der grund­ sätzliche Aufbau des zentralen Strömungskörpers 2/4 ersicht­ lich, welcher im wesentlichen eine M-Form beschreibt. Die sich innerhalb des ringförmigen Durchflußquerschnittes 7 des konzentrischen Rohres 8 bildende Drallströmung 24 ist ein Verbrennungsgemisch aus der Verbrennungsluft 13, erweitert durch die Verbrennungsluft 15 und vermischt mit dem zweiten Premix-Gas C aus der Ringleitung 22. Die andere sich inner­ halb des Innenraumes 6 des inneren Teilkörpers 2 bildende Drallströmung 25 ist ein Verbrennungsgemisch aus der Verbren­ nungsluft 13, erweitert durch die Verbrennungsluft 14 und vermischt mit dem ersten Premix-Gas B aus der Ringleitung 21 resp. 21a. Wird der Brenner 1 allein mit dem flüssigen Brenn­ stoff A betrieben, so bestehen die Drallströmung 24, 25 aus reiner Verbrennungsluft. Der flüssige Brennstoff A wird im Bereich des Zusammenflusses der beiden Drallströmungen 24, 25 eingemischt. Der Abstand von den Düsen 20a bis zum Brenner­ austritt ist relativ kurz, so daß der Sprühwinkel der Düsen 20a für den flüssigen Brennstoff A groß gewählt werden kann. Die Scherwirkung zwischen der inneren 25 und der äußeren 24 Drallströmung bewirkt, daß der dort eingedüste flüssige Brennstoff A eine optimale Vermischung erfährt. Damit ist hier eine Gemischbildung mit einem flüssigen Brennstoff unter Vormischbedingungen möglich. Die beiden Drallströmungen 24, 25 vereinigen sich dann im Bereich des Brenneraustrittes zu einer Hauptströmung 26, welche eine Rückströmblase 27 indu­ ziert. Diese wirkt gegenüber der sich dort bildenden Flammen­ front im Sinne eines körperlosen Flammenhalters stabilisie­ rend gegen Flammenrückzündungen. Durch getrennte Brennstoff­ versorgung der beiden kegelförmigen Teilkörper 2, 4 wird ein gestuftes Hochfahren bei Gasbetrieb ermöglicht. Dies ermög­ licht sodann, die Baulänge des Brenners 1 zu minimieren, ohne auf die Güte und Vorteile der Vormischverbrennung verzichten zu müssen.

Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Ebene III-III in Fig. 2. Ersichtlich ist hier die Segmentierung der Wände der beiden kegelförmigen Teilkörper 2, 4 durch eine Anzahl tangential angeordneter Lufteintrittsschlitze 11, 12, wobei die Profi­ lierung der einzelnen Segmente vorzugsweise schaufelprofil­ förmig ist. Aus dieser Fig. 3 geht auch die Führung der ein­ zelnen Brennstoffleitungen 21, 22, 23 durch die einzelnen körperbildenden Segmente des zentralen Strömungskörpers 2/4 hervor. Indem mehrere Schlitze 11, 12 in Umfangsrichtung vor­ gesehen werden können, läßt sich die axiale Länge derselben kleiner halten. Durch die getrennte individuelle Versorgung der inneren 11 und äußeren 12 Lufteintrittsschlitze mit Brennstoff wird ein gestuftes Hochfahren ermöglicht. Dabei erzeugt die in den Innenraum 6 einströmende Verbrennungsluft einen gegenüber dem ringförmigen Durchflußquerschnitt 7 ent­ gegengesetzten Drall. Dort wo sich strömungstechnisch auf­ drängt, ist es ohne weiteres möglich, ein gleichgerichteter Drall durch die inneren und äußeren Lufteintrittsschlitze 11, 12 vorzusehen. Die zum äußeren Teilkörper 4 gehörigen Segmente sind einseitig mit Düsen 22b für Brennstoff C verse­ hen, während die zum inneren Teilkörper 2 gehörigen Segmente eine zweifache Eindüsung 21b des Brennstoffes B in die Lufteintrittsschlitze 11 aufweisen. Eine entsprechende Anpas­ sung der Anzahl der Eindüsungsöffnungen wird von Fall zu Fall disponiert.

Bezugszeichenliste

1

Brenner

2

Innerer, kegelförmiger Teilkörper

3

Innere, zylindrische Auslaufform

4

Äußerer, kegelförmiger Teilkörper

5

Geschlossener Anströmungsraum zwischen

2

,

4

6

Innenraum von

2

7

Konzentrischer, ringförmiger Durchflußquerschnitt

8

Konzentrisches, ummantelndes Rohr

9

Stirnfläche

10

Diffusionsähnlicher Querschnitt

11

Tangentiale Lufteintrittsschlitze

12

Tangentiale Lufteintrittsschlitze

13

Verbrennungsluft, Hauptanteil

14

Verbrennungsluft, Nebenanteil

15

Verbrennungsluft, Nebenanteil

16

Eintrittsöffnung in den Innenraum von

2

17

Ringöffnung in den Durchflußquerschnitt

7

18

Luftdurchströmung durch Schlitze

11

19

Luftdurchströmung durch Schlitze

12

20

Brennstoffringleitung

20

a Ringleitung

20

b Brennstoffdüsen

21

Brennstoffringleitung

21

a Ringleitung

21

b Brennstoffdüsen

22

Brennstoffringleitung

22

b Brennstoffdüsen

23

Verbindungsstege

24

Drallströmung

25

Drallströmung

26

Hauptströmung

27

Rückströmblase

2

/

4

Zentraler Strömungskörper
A Flüssiger Brennstoff, Öl
B 1. Premix Gas
C 2. Premix Gas

Claims (10)

1. Brenner für flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe für eine Vormischverbrennung bei einem gestuften Lastbetrieb einer Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (1) aus mindestens einem in Strömungsrichtung kegelförmig verlaufenden inneren Teilkörper (2), aus mindestens einem äußeren Teilkörper (4) mit gegenüber dem inneren Teilkörper (2) kegelförmig entgegengesetztem Verlauf, und aus mindestens einem dem äußeren kegelför­ migen Teilkörper (4) ummantelnden Rohr (8) besteht, und daß der innere Teilkörper (2) und der äußere Teilkör­ per (4) in Wirkverbindung zueinander mit einer Verbren­ nungsluft (13, 14, 15) an- und durchströmbar sind.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere und der äußere Teilkörper einen zentralen Strömungskörper (2/4) mit einem intermediären in Strö­ mungsrichtung geschlossenen Anströmungsraum (5) bilden, daß die beiden kegelförmig verlaufenden Wände des An­ strömungsraumes (5) jeweils eine Anzahl tangential ange­ ordneter Lufteintrittsschlitze (11, 12) für einen Haupt­ anteil der Verbrennungsluft (13) aufweisen, und daß die einen Lufteintrittsschlitze (11) in einen zum inneren Teilkörper (2) gehörenden Innenraum (6) und die anderen Lufteintrittsschlitze (12) in einen von dem äußeren Teilkörper (4) und dem ummantelnden Rohr (8) gebildeten ringförmigen Durchflußquerschnitt (7) münden.

3. Brenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der ringförmige Durchflußquerschnitt (7) in Strömungsrichtung kegelförmig verläuft.

4. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Strömungskörper (2/4) stirnseitig eine An­ zahl über den Umfang verteilter Brennstoffdüsen (20b) aufweist.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüsen (20b) axial gerichtet sind.

6. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (20b) mit einem flüssigen Brennstoff (A) be­ treibbar sind.

7. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Eintrittsschlitze (11, 12) ein Brennstoff (B, C) in die Verbrennungsluft (13) eindüsbar ist.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff (B, C) ein gasförmiger Brennstoff ist.

9. Brenner nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für den gestuften Betrieb der Brennkammer über die Lufteintrittsschlitze (11) ein erster gasförmi­ ger Brennstoff (B) und über die Lufteintrittsschlitze (12) ein zweiter gasförmiger Brennstoff (C) eindüsbar ist.

10. Brenner nach den Ansprüchen 1, 4 und 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Brennstoffe (A, B, C) über in die Teilkörper (2, 4) und in das konzentrische Rohr (8) in­ tegrierte Ringleitungen (20, 20a; 21, 21a; 22) zu den jeweiligen Eindüsungsstellen geführt sind.