DE19757189A1 - Verfahren zum Betrieb eines Brenners eines Wärmeerzeugers - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners eines Wärmeerzeugers gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch einen Brenner zum Durchführen dieses Verfahrens.

Stand der Technik

Die derzeit beim Betrieb von Wärmeerzeugern, beispielsweise von Brennkam­ mern von Gasturbinen, eingesetzten schadstoffarmen, mager vorgemischten Brenner werden aerodynamisch durch Rezirkulationszonen, beispielsweise Vortex Breakdown, stabilisiert. Diese Stabilisierung beruht auf den Rücktransport von heissen Verbrennungsprodukten, welche als Zündquelle für das magere Brenn­ stoff/Luft-Gemisch dienen. Bei einer solchen Stabilisierung nimmt bei geringer Flammentemperatur auch die Temperatur der rezirkulierten Verbrennungsproduk­ te ab, und somit reicht die in die Reduktionszone transportierte thermische Ener­ gie zur Aktivierung der Reaktion nicht mehr aus. Die Folge davon ist, daß die Flamme zum Löschen kommt.

Bei der Entwicklung von vorgemischten, mit einem flüssigen Brennstoff betriebe­ nen Brennern wurde festgestellt, daß erst bei wesentlich tieferen Temperaturen die Löschgrenze der Flamme erreicht wird. Da die Flammengeschwindigkeit eines flüssigen Brennstoffes, beispielsweise von Heizöl, niedriger als die eines gasför­ migen Brennstoffes, beispielsweise von Erdgas, ist, ist dieser Effekt nur auf die geringere Aktivierungsenergie bei langkettigen Kohlenwasserstoffen zurückzufüh­ ren. Daraus ergeben sich bei flüssigen Brennstoffen Selbstzündverzugszeiten, welche wesentlich kürzer als die eines gasförmigen Brennstoffes sind.

Aus EP-O 620 362 A1 ist ein Verfahren bekanntgeworden, bei welchem die kürze­ re Selbstzündungsverzugszeit ausgenutzt wird. Dabei geht es hier um den Betrieb einer auf Selbstzündung ausgelegten Brennkammer, bei welcher zur Gewährlei­ stung einer sicheren Selbstzündung des in die Brennkammer eingedüsten gas­ förmigen Brennstoffes bei Absenkung der Temperatur unter einem bestimmten Niveau der dort eingebrachten heißen Gase mit einer kleinen Menge eines ande­ ren Brennstoffes mit kürzerer Selbstzündungsverzugszeit eingegriffen wird. Diese Eingriffnahme geschieht hier indessen losgelöst von einer definierten Vormisch­ strecke eines Brenners, so daß der eingebrachte Hilfsbrennstoff hier sozusagen als Zündschnur wirken kann. Die Gefahr eines irgendwie gearteteten Flammen­ rückschlages ist hier nicht zu befürchten, weil keine Vormischstrecke mit einer stark verdrallten Strömung vorhanden ist.

Bei Brennern der neueren Generation, wie sie aus EP-O 321 809 B1, EP-O 780 629 A2 bekanntgeworden sind, geht es hingegen darum, rezirkulationsstabilisierte Zonen zu schaffen, um den Betriebsbereich mit magerer Vormischflamme zu er­ weitern. Da hier eine aerodynamische Stabilisierung durch eine stark verdrallte Strömung erfolgt, darf die indiskriminierte Einbringung eines Brennstoffes mit kür­ zerer Selbstzündungszeiten zur Verbesserung der Stabilität gegen die Löschgren­ ze einer Verbrennung mit einem zündträgen Brennstoff nicht dazu führen, daß die Gefahr eines Flammenrückschlages erhöht wird.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einem Brenner der eingangs genannten Art mit erweitertem schadstoffarmem und mage­ rem Vormischbetrieb die Gefahr eines Flammenrückschlages aufzuheben.

Die kürzere Selbstzündungsverzugszeit der meisten flüssigen Brennstoffe wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um einen mit Erdgas/Luft-Gemisch oder anderes zündträges Brennstoff/Luft-Gemisch, insbesondere durch ein sehr mageres Ge­ misch aus vorverdampftem Oel mit Luft, betriebenen Vormischbrenner durch ein gezieltes Zumischen eines kleinen Anteils eines zündwilligen Brennstoffes zu stabilisieren. Dabei wird die Vormischstrecke so dimensioniert, daß bei den herr­ schenden Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturen eine Selbstzündung aufgrund der Zündverzugszeit in der Vormischstrecke sicher ausgeschlossen bleibt. In der vorgesehenen Reaktionszone ist durch eine Querschnittserweiterung die Strömungsgeschwindigkeit soweit zu senken, daß unter allen gewünschten Betriebsbedingungen die Aufenthaltszeit des aus der Vormischstrecke hervorge­ henden Brennstoff/Luft-Gemisches die Zündverzugszeit eines vorzugsweise in die Reaktionszone eingedüsten zündwilligen Brennstoffes übersteigt und so zur ge­ wünschten Reaktion kommt.

Die bei der Reaktion des zündwilligen Brennstoffes freigesetzte Energie reicht aus, um das reaktionsträge Brennstoff/Luft-Gemisch zu entzünden.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß dieses Stabilisati­ onsprinzip bei rezirkulationsstabilisierten Brennern Verwendung findet, um den Betriebsbereich mit magerer Vormischflamme zu erweitern. Die größte Verbesse­ rung bei einer solchen Stabilisierung läßt sich bei direkter Einspritzung mit lokal hohen Brennstoffkonzentrationen des zündwilligen Brennstoffes in die Reaktions­ zone erreichen.

Da die modernen Vormischbrenner (Vgl. die obigen Druckschriften) für den Dual­ betrieb ausgelegt sind, läßt sich die erfindungsgemässe Stabilisierung mit einem geringfügigen Aufwand bei diesen Brennern erreichen.

Diese Art der Flammenstabilisierung führt dazu, daß ein erweiterter schad­ stoffarmer, magerer Vormischbetrieb möglich ist. Die Gefahr eines Flammenrück­ schlages in die Vormischstrecke wird ausgeschaltet, da dort keine aerodynami­ sche Stabilisierung erfolgt. Des weiteren führt der erfindungsgemässe Vorschlag dazu, daß die sonst üblichen Diffusionspilotsysteme mithin wegfallen, was sich auf Wirkungsgrad und Schadstoff-Emissionen positiv auswirkt.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufga­ benlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwe­ sentlichen Merkmale sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind in den ver­ schiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungs­ richtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Bezeichnung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 einen als Vormischbrenner ausgelegten Brenner mit einer Mischstrecke stromab eines Drallerzeugers und mit Mitteln zur Flammenstabilisierung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Brenners gemäß Fig. 1 mit Disposition der zusätzlichen Brennstoff-Injektoren,

Fig. 3 einen aus mehreren Schalen bestehenden Drallerzeuger in perspektivi­ scher Darstellung, entsprechend aufgeschnitten,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen zweischaligen Drallerzeuger,

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen vierschaligen Drallerzeuger,

Fig. 6 eine Ansicht durch einen Drallerzeuger, dessen Schalen schaufelförmig profiliert sind,

Fig. 7 eine Ausgestaltung der Übergangsgeometrie zwischen Drallerzeuger und Mischstrecke und

Fig. 8 eine Gestaltung des Brenneraustritts zum räumlichen Management der Rückströmzone.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners, der als Vormischbrenner betrie­ ben wird. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100 wirksam, dessen Ausgestaltung in den nachfolgenden Fig. 3-6 noch näher gezeigt und beschrieben wird. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100 um ein kegelförmiges Gebilde, das tangential mehrfach von einem einströmenden Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt wird. Die sich hierin bildende Strömung wird anhand einer stromab des Draller­ zeugers 100 vorgesehenen Uebergangsgeometrie nahtlos in ein Übergangsstück 200 übergeleitet, dergestalt, daß dort keine Ablösungsgebiete auftreten können. Die Konfiguration dieser Übergangsgeometrie wird unter Fig. 6 näher beschrieben. Dieses Übergangsstück 200 ist abströmungsseitig der Über­ gangsgeometrie durch ein Mischrohr 20 verlängert, wobei beide Teile die eigentli­ che Mischstrecke 220 bilden. Selbstverständlich kann die Mischstrecke 220 aus einem einzigen Stück bestehen, d. h. dann, daß das Übergangsstück 200 und das Mischrohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmel­ zen, wobei aber die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Übergangsstück 200 und Mischrohr 20 aus zwei Teilen erstellt, so sind diese durch einen Buchsenring 10 verbunden, wobei der gleiche Buchsenring 10 kopf­ seitig als Verankerungsfläche für den Drallerzeuger 100 dient. Ein solcher Buch­ senring 10 hat darüber hinaus den Vorteil, daß verschiedene Mischrohre einge­ setzt werden können. Abströmungsseitig des Mischrohres 20 befindet sich der ei­ gentliche Brennraum 30 einer Brennkammer, welche hier lediglich durch ein Flammrohr versinnbildlicht ist. Die Mischstrecke 220 erfüllt weitgehend die Aufga­ be, daß stromab des Drallerzeugers 100 eine definierte Strecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt werden kann. Diese Mischstrecke, also vordergründig das Mischrohr 20, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so daß sich auch in Wirkverbindung mit der Übergangsgeometrie zunächst keine Rückstromzone oder Rückströmblase bilden kann, womit über die Länge der Mischstrecke 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluß ausgeübt werden kann. Diese Mischstrecke 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, daß in ihr selbst das Axialgeschwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so daß eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer nicht möglich ist. Allerdings ist es richtig, daß bei einer solchen Konfiguration die­ se Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Mischrohr 20 in Strömungs- und Umfangsrich­ tung mit einer Anzahl regelmässig oder unregelmässig verteilter Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen versehen, durch welche eine Luft­ menge in das Innere des Mischrohres 20 strömt, und entlang der Wand im Sinne einer Filmlegung eine Erhöhung der Durchfluß-Geschwindigkeit induzieren. Diese Bohrungen 21 können auch so ausgelegt werden, daß sich an der Innenwand des Mischrohres 20 mindestens zusätzlich noch eine Effusionskühlung einstellt. Eine zusätzliche Möglichkeit eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Gemisches innerhalb des Mischrohres 20 zu erzielen, besteht darin, daß dessen Durchfluß­ querschnitt abströmungsseitig der Übergangskanäle 201, welche die bereits ge­ nannten Übergangsgeometrie bilden, eine Verengung erfährt, wodurch das ge­ samte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 20 angehoben wird. In der Figur verlaufen die Bohrungen 21 unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse 60. Andere Verläufe dieser Bohrungen 21 sind auch möglich. Mög­ lich ist des weiteren, das Mischrohr 20 intermittierend mit solchen Bohrungen zu versehen, beispielsweise am Anfang und am Ende desselben. Vorzugsweise wer­ den diese Bohrungen 21 am Umfang des Mischrohres verteilt. Des weiteren ent­ spricht der Auslauf der Übergangskanäle 201 dem engsten Durchflussquer­ schnitt des Mischrohres 20. Die genannten Übergangskanäle 201 überbrücken demnach den jeweiligen Querschnittsunterschied, ohne dabei die gebildete Strö­ mung negativ zu beeinflussen. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Rohrströmung 40 entlang des Mischrohres 20 einen nicht tolerierbaren Druck­ verlust auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende dieses Mischrohres 20 ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 20 schließt sich sodann eine Brennkammer 30 (Brennraum) an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten ein durch eine Brennerfront gebildeter Querschnittssprung vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Flammenfront mit einer Rückströmzone 51, welche gegenüber der Flammenfront die Eigenschaften eines körperlosen Flammenhalters aufweist. Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges während des Betriebes eine strömungsmässige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unter­ druck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabili­ sation der Rückströmzone 51. Danebst darf nicht unerwähnt bleiben, daß die Er­ zeugung einer stabilen Rückströmzone 51 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 Öffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, daß die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5-20% der Gesamtluftmenge beträgt. Was die Gestaltung des Brenneraustritts am Ende des Mischrohres 20 zum räumlichen Stabilisierung und Management der Rückström­ zone 51 betrifft, wird auf die Beschreibung unter Fig. 8 verwiesen.

Im unteren Bereich des Mischrohres 20 ist in Umfangsrichtung mindestens eine Brennstofflanze 300 angeordnet, welche von einem zündwilligen Brennstoff 301, beispielsweise Heizöl, gespiesen wird. Die kürzere Selbstzündungsverzugszeit dieses flüssigen Brennstoffes 301 sorgt dafür, daß der mit einem zündträgen Brennstoff 116 betriebene Brenner die Reaktionszone 50 im Brennraum 30, ins­ besondere die Rückströmzone 51, zu stabilisieren. Zu diesem Zweck wird dieser zündwillige Brennstoff 301 bei einem schadstoffarmen und mageren Betrieb be­ darfsmässig eingesetzt. Dies ist immer dann der Fall, wenn Gefahr besteht, daß es zu einem Flammenrückschlag kommt. Dann wird über die Brennstofflanze 300 eine Brennstoffeindüsung 302 in die Reaktionszone der Rückströmzone 51 resp. in die Reaktionszone 50 vorgenommen. Damit wird die genannte Gefahr eines Flammenrückschlages in die stromauf wirkende Vormischstrecke ausgeschaltet, da in dieser Reaktionszone 50 keine aerodynamische Stabilisierung erfolgt. In dieser Reaktionszone 50 erfolgt auch durch die Querschnittserweiterung gegen­ über dem Durchflussquerschnitt des Mischrohres 20 eine Absenkung der Strö­ mungsgeschwindigkeit, so daß unter allen gewünschten Betriebsbedingungen die Aufenthaltszeit des aus der Vormischstrecke hervorgehenden Gemisches aus Verbrennungsluft 115 und zündträgem Brennstoff 116 die Zündverzugszeit des in die Reaktionszone 50 eingedüsten zündwilligen Brennstoffes 301 übersteigt, und so zur gewünschten Stabilisierung der Flammenfront und Verhinderung eines Flammenrückschlages in die Vormischstrecke kommt.

Bei bestimmten Betriebsbedingungen ist darüber hinaus möglich, der zündwillige Brennstoff in die Drallzone einzugeben, allerdings muß in einem solchen Fall darauf geachtet werden, daß die aerodynamischen Eigenschaften der verdrallten Strömung unversehrt bleiben.

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht des Brenners gemäß Fig. 1, wobei hier insbesondere auf die Umspülung einer zentral angeordneten Brennstoffdüse 103 und auf die Wirkung von Brennstoff-Injektoren 170 hingewiesen wird. Die Wir­ kungsweise der restlichen Hauptbestandteile des Brenners, nämlich Drallerzeuge 100 und Übergangsstück 200 werden unter den nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Die Brennstoffdüse 103 wird mit einem beabstandeten Ring 190 ummantelt, in welchem eine Anzahl in Umfangsrichtung disponierter Bohrungen 161 gelegt sind, durch welche eine Luftmenge 160 in eine ringförmige Kammer 180 strömt und dort die Umspülung der Brennstoffdüse 103 vornimmt. Diese Boh­ rungen 161 sind schräg nach vorne angelegt, dergestalt, daß eine angemessene axiale Komponente auf der Brennerachse 60 entsteht. In Wirkverbindung mit die­ sen Bohrungen 161 sind zusätzliche Brennstoff-Injektoren 170 vorgesehen, wel­ che eine bestimmte Menge vorzugsweise eines gasförmigen Brennstoffes in die jeweilige Luftmenge 160 einspeisen, dergestalt, daß sich im Mischrohr 20 eine gleichmässige Brennstoffkonzentration 150 über den Strömungsquerschnitt ein­ stellt, wie die Darstellung in der Figur versinnbildlichen will. Genau diese gleich­ mässige Brennstoffkonzentration 150, insbesondere die starke Konzentration auf der Brennerachse 60 sorgt dafür, daß sich eine Stabilisierung der Flammenfront am Ausgangs des Brenners einstellt, womit aufkommende Brennkammerpulsatio­ nen vermieden werden.

Um den Aufbau des Drallerzeugers 100 besser zu verstehen, ist es von Vorteil, wenn gleichzeitig zu Fig. 3 mindestens Fig. 4 herangezogen wird. Im folgenden wird bei der Beschreibung von Fig. 3 nach Bedarf auf die übrigen Figuren hinge­ wiesen.

Der erste Teil des Brenners nach Fig. 1 bildet den nach Fig. 3 gezeigten Draller­ zeuger 100. Dieser besteht aus zwei hohlen kegelförmigen Teilkörpern 101, 102, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Anzahl der kegelförmi­ gen Teilkörper kann selbstverständlich grösser als zwei sein, wie die Fig. 5 und 6 zeigen; dies hängt jeweils, wie weiter unten noch näher zur Erläuterung kommen wird, von der Betriebsart des ganzen Brenners ab. Es ist bei bestimmten Betriebskonstellationen nicht ausgeschlossen, einen aus einer einzigen Spirale bestehenden Drallerzeuger vorzusehen. Die Versetzung der jeweiligen Mittelach­ se oder Längssymmetrieachsen 101b, 102b (Vgl. Fig. 4) der kegeligen Teilkörper 101, 102 zueinander schafft bei der benachbarten Wandung, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Einströmungskanal, d. h. einen Lufteintritts­ schlitz 119, 120 (Vgl. Fig. 4), 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 abnehmen­ de Kegelneigung aufweisen, ähnlich einer Trompete resp. Tulpe. Die beiden letzt­ genannten Formen sind zeichnerisch nicht erfaßt, da sie für den Fachmann ohne weiteres nachempfindbar sind. Die beiden kegeligen Teilkörper 101, 102 weisen je einen zylindrischen ringförmigen Anfangsteil 101a auf. Im Bereich dieses zylindri­ schen Anfangsteils ist die bereits unter Fig. 2 erwähnte Brennstoffdüse 103 unter­ gebracht, welche vorzugsweise mit einem flüssigen Brennstoff 112 betrieben wird. Die Eindüsung 104 dieses Brennstoffes 112 fällt in etwa mit dem engsten Quer­ schnitt des durch die kegeligen Teilkörper 101, 102 gebildeten Kegelhohlraumes 114 zusammen. Die Eindüsungskapazität und die Art dieser Brennstoffdüse 103 richtet sich nach den vorgegebenen Parametern des jeweiligen Brenners. Die ke­ geligen 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 ein­ gedüst wird, wie dies die Pfeile 116 versinnbildlichen wollen. Diese Brennstofflei­ tungen 108, 109 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Ein­ strömung, vor Eintritt in den Kegelhohlraum 114, angeordnet, dies um eine opti­ male Luft/Brennstoff-Mischung zu erhalten. Bei dem durch die Brennstoffdüse 103 herangeführten Brennstoff 112 handelt es sich, wie erwähnt, im Normalfall um ei­ nen flüssigen Brennstoff, wobei eine Gemischbildung mit einem anderen Medium, beispielsweise mit einem rückgeführten Rauchgas, ohne weiteres möglich ist. Dieser Brennstoff 112 wird unter einem vorzugsweise sehr spitzen Winkel in den Kegelhohlraum 114 eingedüst. Aus der Brennstoffdüse 103 bildet sich sonach ein kegeliges Brennstoffspray 105, das von der tangential einströmenden rotierenden Verbrennungsluft 115 umschlossen und abgebaut wird. In axialer Richtung wird sodann die Konzentration des eingedüsten Brennstoffes 112 fortlaufend durch die einströmenden Verbrennungsluft 115 zu einer Vermischung Richtung Verdamp­ fung abgebaut. Wird ein gasförmiger Brennstoff 113 über die Öffnungsdüsen 117 eingebracht, geschieht die Bildung des Brennstoff/Luft-Gemisches direkt am Ende der Lufteintrittsschlitze 119, 120. Ist die Verbrennungsluft 115 zusätzlich vorge­ heizt, oder beispielsweise mit einem rückgeführten Rauchgas oder Abgas ange­ reichert, so unterstützt dies nachhaltig die Verdampfung des flüssigen Brennstof­ fes 112, bevor dieses Gemisch in die nachgeschaltete Stufe strömt, hier in das Übergangsstück 200 (Vgl. Fig. 1 und 7). Die gleichen Überlegungen gelten auch, wenn über die Leitungen 108, 109 flüssige Brennstoffe zugeführt werden sollten. Bei der Gestaltung der kegeligen Teilkörper 101, 102 hinsichtlich des Ke­ gelwinkels 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. All­ gemein 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 unter Fig. 2 (Pos. 160) näher beschrie­ bene Zuführung einer Luftmenge erhöhen bzw. stabilisieren. Eine entsprechende Drallerzeugung in Wirkverbindung mit dem nachgeschalteten Übergangsstück 200 (Vgl. Fig. 1 und 7) 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 tangentia­ len Lufteintrittsschlitze 119, 120 zu verändern, womit ohne Veränderung der Bau­ länge des Drallerzeugers 100 eine relativ große betriebliche Bandbreite erfaßt werden kann. Selbstverständlich sind die Teilkörper 101, 102 auch in einer ande­ ren Ebene zueinander verschiebbar, wodurch sogar eine Überlappung derselben vorgesehen werden kann. Es ist des weiteren möglich, die Teilkörper 101, 102 durch eine gegenläufig drehende Bewegung spiralartig ineinander zu verschach­ teln. Somit ist es möglich, die Form, die Größe und die Konfiguration der tangen­ tialen Lufteintrittsschlitze 119,120 beliebig zu variieren, womit der Drallerzeuger 100 ohne Veränderung seiner Baulänge universell einsetzbar ist.

Aus Fig. 4 geht unter anderen die geometrische Konfiguration von wahlweise vor­ zusehenden Leitbleche 121a, 121b hervor. Sie haben Strömungseinleitungsfunk­ tion, 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 Öffnen bzw. Schließen der Leitbleche 121a, 121b um einen im Bereich des Eintritts dieses Kanals in den Kegelhohlraum 114 plazierten Dreh­ punkt 123 optimiert werden, insbesondere ist dies vonnöten, wenn die ursprüngli­ che Spaltgröße der tangentialen Lufteintrittsschlitze 119, 120 dynamisch verän­ dert werden soll, beispielsweise um eine Änderung der Geschwindigkeit der Ver­ brennungsluft 115 zu erreichen. Selbstverständlich können diese dynamische Vorkehrungen auch statisch vorgesehen werden, indem bedarfsmässige Leitble­ che einen festen Bestandteil mit den kegeligen Teilkörpern 101, 102 bilden.

Fig. 5 zeigt gegenüber Fig. 4, daß der Drallerzeuger 100 nunmehr aus vier Teil­ körpern 130, 131, 132, 133 aufgebaut ist. Die dazugehörigen Längssymmetrie­ achsen zu jedem Teilkörper sind mit der Buchstabe a gekennzeichnet. Zu dieser Konfiguration ist zu sagen, daß sie sich aufgrund der damit erzeugten, geringe­ ren Drallstärke und im Zusammenwirken mit einer entsprechend vergrösserten Schlitzbreite bestens eignet, das Aufplatzen der Wirbelströmung abströmungssei­ tig des Drallerzeugers im Mischrohr zu verhindern, womit das Mischrohr die ihm zugedachte Rolle bestens erfüllen kann.

Fig. 6 unterscheidet sich gegenüber Fig. 5 insoweit, als hier die Teilkörper 140, 141, 142, 143 eine Schaufelprofilform haben, welche zur Bereitstellung einer ge­ wissen Strömung vorgesehen wird. Ansonsten ist die Betriebsart des Drallerzeu­ gers die gleiche geblieben. Die Zumischung des Brennstoffes 116 in den Ver­ brennungsluftstromes 115 geschieht aus dem Innern der Schaufelprofile heraus, d. h. die Brennstoffleitung 108 ist nunmehr in die einzelnen Schaufeln integriert. Auch hier sind die Längssymmetrieachsen zu den einzelnen Teilkörpern mit der Buchstabe a gekennzeichnet.

Fig. 7 zeigt das Übergangsstück 200 in dreidimensionaler Ansicht. Die Über­ gangsgeometrie ist für einen Drallerzeuger 100 mit vier Teilkörpern, entsprechend der Fig. 5 oder 6, aufgebaut. Dementsprechend weist die Übergangsgeometrie als natürliche Verlängerung der stromauf wirkenden Teilkörper vier Übergangs­ kanäle 201 auf, wodurch die Kegelviertelfläche der genannten Teilkörper verlän­ gert wird, bis sie die Wand des Mischrohres schneidet. Die gleichen Überle gun­ gen gelten auch, wenn der Drallerzeuger aus einem anderen Prinzip, als den un­ ter Fig. 3 beschriebenen, aufgebaut ist. Die nach unten in Strömungsrichtung verlaufende Fläche der einzelnen Übergangskanäle 201 weist eine in Strö­ mungsrichtung spiralförmig verlaufende Form auf, welche einen sichelförmigen Verlauf beschreibt, entsprechend der Tatsache, daß sich vorliegend der Durch­ flussquerschnitt des Übergangsstückes 200 in Strömungsrichtung konisch erwei­ tert. Der Drallwinkel der Übergangskanäle 201 in Strömungsrichtung ist so ge­ wählt, daß der Rohrströmung anschliessend bis zum Querschnittssprung am Brennkammereintritt noch eine genügend große Strecke verbleibt, um eine per­ fekte Vormischung mit dem eingedüsten Brennstoff zu bewerkstelligen. Ferner er­ höht sich durch die oben genannten Maßnahmen auch die Axialgeschwindigkeit an der Mischrohrwand stromab des Drallerzeugers. Die Übergangsgeometrie und die Maßnahmen im Bereich des Mischrohres bewirken eine deutliche Steige­ rung des Axialgeschwindigkeitsprofils zum Mittelpunkt des Mischrohres hin, so daß der Gefahr einer Frühzündung entscheidend entgegengewirkt wird.

Fig. 8 zeigt die bereits angesprochene geometrische Gestaltung des Brenneraus­ tritts am Ende des Mischrohres 20 zur räumlichen Stabilisierung der Rückström­ zone. Der Durchflussquerschnitt des Rohres 20 erhält in diesem Bereich einen ersten gegenüber der Brennerachse 60 konvexen Übergangsradius R₁, dessen Größe grundsätzlich von der jeweiligen Strömung innerhalb des Mischrohres 20 abhängt. Die Größe dieses Radius R₁ wird dementsprechend so gewählt, daß sich die Strömung an die Wand anlegt und so die Drallzahl stark ansteigen läßt. Quantitativ läßt sich die Größe des Radius R₁ so definieren, daß dieser <10% des Innendurchmessers d des Mischrohres 20 beträgt. Gegenüber einer Strö­ mung ohne Radius vergrößert sich nun die Rückströmzone 51 gewaltig. Dieser Radius R₁ geht sodann in einen zweiten Radius R₂ über, welcher gegenüber der Brennerachse 60 konkav bis zur Austrittsebene 70 des Mischrohres 20 verläuft, wobei die Größe dieses Radius R₂ <10% des Innendurchmessers d des Misch­ rohres 20 beträgt. Dieser zweite Radius R₂ sorgt dafür, daß die Randströmung axial ausgerichtet wird, dergestalt, daß die Flamme bei kleiner radialer Ausmes­ sung der Brennkammer nicht auf die Brennkammerwand auftritt. Die sektoriellen Winkel β₁ und β₂ der beiden Radien R₁, R₂ sind komplementäre Winkel, deren Summe maximal 90° beträgt. Je nach Drallzahl und axialer Ausrichtung der Strö­ mung erfahren die zwei genannten Winkel eine entsprechende Anpassung, wel­ che interdependent zur Größe der beiden Radien steht.

Die Austrittsebene 70 des Mischrohres 20 ist des weiteren ab Endkante des zweiten Radius R₂ in radialer Richtung mit einem Absatz S von <3 mm Tiefe ver­ sehen, wobei dieser Absatz die Funktion einer Strömungsabrissstufe ausübt.

Bezugszeichenliste

10

Buchsenring

20

Mischrohr, Teil der Mischstrecke

220

21

Bohrungen, Öffnungen

30

Brennkammer, Brennraum

40

Strömung, Rohrströmung im Mischrohr, Hauptströmung, Gemisch

50

Reaktionszone

51

Rückströmzone, Rückströmblase

60

Brennerachse

70

Austrittsebene des Mischrohres

100

Drallerzeuger

101

,

102

Kegelförmige Teilkörper

101

a Ringförmiger Anfangsteil

101

b,

102

b Längssymmetrieachsen

103

Brennstoffdüse

104

Brennstoffeindüsung

105

Brennstoffspray (Brennstoffeindüsungsprofil)

108

,

109

Brennstoffleitungen

112

Flüssiger Brennstoff

113

Gasförmiger Brennstoff

114

Kegelhohlraum

115

Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)

116

Brennstoff-Eindüsung aus den Leitungen

108

,

109

117

Brennstoffdüsen

119

,

120

Tangentiale Lufteintrittsschlitze

121

a,

121

b Leitbleche

123

Drehpunkt der Leitbleche

130

,

131

,

132

,

133

Teilkörper

131

a,

131

a,

132

a,

133

a Längssymmetrieachsen

140

,

141

,

142

,

143

Schaufelprofilförmige Teilkörper

140

a,

141

a,

142

a,

143

a Längssymmetrieachsen

150

Brennstoffkonzentration

160

Luftmenge, Mischluft

161

Bohrungen, Öffnungen

170

Brennstoff-Injektoren

180

Ringförmige Luftkammer

190

Ring

200

Übergangsstück, Teil der Mischstrecke

220

201

Übergangskanäle

220

Mischstrecke

300

Brennstofflanze

301

Zündwilliger Brennstoff

302

Eindüsung des zündwilligen Brennstoffes in die Reaktionszone
d Innendurchmesser des Mischrohres
R₁

Erster Radius, konvex gegenüber der Brennerachse
R₂

Zweiter Radius, konkav gegenüber der Brennerachse
β₁

Erster Winkel, zu Radius R₁

gehörend
β₂

Zweiter Radius, zu Radius R₂

gehörend

Claims (17)

1. Verfahren zum Betrieb eines Brenners eines Wärmeerzeugers, wobei der Brenner im wesentlichen aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungs­ luftstrom, aus Mitteln zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom besteht, wobei stromab des Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet ist, welche innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung eine Anzahl Übergangskanäle zur Überführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in ein stromab dieser Übergangskanäle nachgeschaltetes Mischrohr aufweist, wobei stromab dieses Misch­ rohres einen durch eine Querschnittserweiterung gebildeten Brennraum mit einer Reaktionszone angeordnet ist, in welcher die Verbrennung eines Ver­ brennungsluft/Brennstoff-Gemisch stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung der Verbrennung im Brennraum (30) ein zündwilli­ ger Brennstoff (301, 302) in die Reaktionszone (50) eingedüst wird.

2. Brenner eines Wärmeerzeuges zum Durchführen des Verfahren nach An­ spruch 1, wobei der Brenner im wesentlichen aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom, aus Mitteln zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom besteht, wobei stromab des Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet ist, welche innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung eine Anzahl Übergangskanäle zur Überführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in ein strom­ ab dieser Übergangskanäle nachgeschaltetes Mischrohr aufweist, wobei stromab dieses Mischrohres einen durch eine Querschnittserweiterung gebildeten Brennraum mit einer Reaktionszone angeordnet ist, in welcher die Verbrennung eines Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner zur Stabilisierung der Verbren­ nung mindestens eine weitere mit einem zündwilligen Brennstoff (301) ge­ speisten Brennstofflanze (300) aufweist, und daß die Eindüsung des zündwilligen Brennstoffes (301) in die Reaktionszone (51) gerichtet ist.

3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallerzeuger (100) 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 zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß die benachbarten Wandun­ gen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Kanäle (119, 120) für einen Verbrennungsluftstromes (115) bilden, und daß im von den Teilkörpern gebildeten Innenraum (114) mindestens eine Brennstoffdüse (103) vorhanden ist.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der tangentialen Kanäle (119, 120) in deren Längserstreckung weitere Brenn­ stoffdüsen (117) angeordnet sind.

5. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (140, 141, 142, 143) im Querschnitt eine schaufelförmige Profilierung auf­ weisen.

6. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper in Strömungsrichtung einen festen Kegelwinkel, oder eine zunehmende Ke­ gelneigung, oder eine abnehmende Kegelneigung aufweisen.

7. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper spiralförmig ineinandergeschachtelt sind.

8. Brenner nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Übergangskanäle (201) in der Mischstrecke (220) der Anzahl der vom Drallerzeuger (100) gebildeten Teilströme entspricht.

9. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischrohr (20) in Strömungs- und Umfangsrichtung mit Bohrungen (21) zur Ein­ düsung eines Luftstromes ins Innere versehen ist.

10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (21) unter einem spitzen Winkel gegenüber der Achse des Mischrohres (20) verlaufen.

11. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluss­ querschnitt des Mischrohres (20) stromab der Übergangskanäle (201) kleiner, gleich groß oder größer als der Querschnitt der im Drallerzeuger (100) gebildeten Strömung (40) ist.

12. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Misch­ strecke (220) und Brennraum (30) ein Querschnittssprung vorhanden ist, der den anfänglichen Strömungsquerschnitt der Brennkammer induziert, und daß im Bereich dieses Querschnittssprunges eine Rückströmzone (51) wirkbar ist.

13. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf der er­ sten Radius (R₁) ein Diffusor und/oder eine Venturistrecke vorhanden ist.

14. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Mischrohres (20) in seinem Auslaufbereich zu einem nachgeschalteten Brennraum (30) einen ersten gegenüber der Brennerachse (60) konvex verlaufenden Radius (R₁) aufweist, daß dieser Radius (R₁) in einen zwei­ ten bis zur Austrittsebene (70) des Mischrohres (20) reichenden und zur Brennerachse (60) konkav verlaufenden Radius (R₂) übergeht, und daß der abgedeckte Sektor (β₁ + β₂) der beiden Radien (R₁, R₂) ≦ 90° beträgt.

15. Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ra­ dien (R₁, R₂) jeweils <10% des Innendurchmessers (d) des Mischrohres (20) sind.

16 Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Austritt­ sebene (70) ab Endkante des zweiten Radius (R₂) in radialer Richtung mit einem Absatz (S) vesehen ist.

17. Brenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Absatz (S) eine Tiefe <3 mm aufweist.