WO2005121648A1 - Vormischbrenner mit gestufter flüssigbrennstoffversorgung sowie verfahren zum betreiben eines vormischbrenners - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Vormischbrenner mit gestufter Flüssigbrennstoffversorgung mit wenigstens zwei radialseitig einen sich axialwärts konisch erweiternden Drallraum (1) begrenzenden Teilkegelschalen (2, 3), die teilweise überlappend angeordnet sind und deren Teilkegelschalenmittenachsen versetzt zueinander verlaufen und deren gegenseitig überlappende Teilkegelschalenbereiche jeweils einen sich tangential zum Drallraum (1) erstreckenden Lufteintrittschlitz (4, 5) einschließen, mit einer axialwärts in den Drallraum (1) ragenden Brennerlanze (14), die Mittel (13) zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff in den Drallraum (1) vorsieht, sowie mit weiteren Mitteln (11) zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff, die im Bereich der Lufteintrittsschlitze (4, 5) vorgesehen sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die weiteren Mittel (11) zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff längs wenigstens eines Lufteintrittsschlitzes (4, 5) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der durch die weiteren Mittel (11) bedingte Flüssigbrennstoffaustrag in Form eines sich senkrecht zur tangentialen Längserstreckung des Lufteintrittsschlitzes (4, 5) sowie eines sich senkrecht zu einer durch den Lufteintrittsschlitz (4, 5) gerichteten Luftströmung ausbreitenden Brennstoffsprays erfolgt.

Description

Vormischbrenner mit gestufter Flüssigbrennstoffversorgung sowie Verfahren zum Betreiben eines Vormischbrenners

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vormischbrenner mit gestufter Flüssigbrennstoffversorgung mit wenigstens zwei einen, sich axialwarts konisch erweiternden Drallraum radialseitig begrenzenden Teilkegelschalen, die teilweise überlappend angeordnet sind, deren Teilkegelschalenmittenachsen versetzt zueinander verlaufen und deren sich gegenseitig überlappenden Teilkegelschalenbereiche jeweils einen sich tangential zum Drallraum erstreckenden Lufteintrittschlitz einschließen, mit einer axialwarts in den Drallraum ragenden Brennerlanze, die Mittel zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff in den Drallraum vorsieht, sowie mit weiteren Mitteln zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff, die im Bereich der Lufteintrittsschlitze vorgesehen sind.

Stand der Technik

Die US 5,244,380 beschreibt einen Vormischbrenner vom Typ eines Teilkegelbrenners, dessen sich axialwarts konisch erweiternder Brennerraum radaialseits von zwei Teilkegelschalen begrenzt ist, die derart ineinander gesetzt angeordnet sind, dass ihre Teilkegelmittenachsen versetzt zueinander verlaufen, wobei die Teilkegelschalen längs ihrer Teilkegelschalenseitenkanten sich gegenseitig überlappen und tangential verlaufende Lufteintrittsschlitze miteinander einschließen, durch die Luft in den Drallraum zur weiteren Durchmischung mit Brennstoff eintreten kann. Zur Brennstoffeinspeisung sieht der in der vorstehenden Druckschrift beschriebene Vormischbrenner eine zentral im Inneren des Brenners angeordnete Brennstoffdüse vor, die von Seiten des Brennerraumes im Bereich des kleinsten Brennerraumdurchmesser wenigstens teilweise axialwarts in den Brenner einmündet und wenigstens eine Brennstoffdüse vorsieht, über die Flüssigbrennstoff in Form einer sich konisch in den Drallraum aufweitenden Brennstoffspraywolke einspeisbar ist.

Der Vorgang der Flüssigbrennstoffeinspeisung sowie der nachfolgende Verbrennungsvorgang ist grundsätzlich in die folgenden, zeitlich voneinander trennbare Phasen unterteilbar:

1. Zerstäuben des flüssigen Brennstoffes mit Hilfe einer Brennstoffzerstäubungsdüse,

2. Verdampfen der sich im Wege des Zerstäubungsprozesses ausbildenden Flüssigbrennstofftröpfchen,

3. Ausbilden eines Brennstoff-Luft-Gemisches und letztlich

4. Entzünden und Verbrennen des Brennstoff-Luftgemisches.

Für den Fall, dass die Zeitdauer, in der die ersten drei Phasen erfolgen kürzer ist als die Verweilzeit des Brennstoffes innerhalb des Brenners (Phase 4), ist davon auszugehen, dass der Verbrennungsprozess unter vollständiger Vormischung und unter geringer Freisetzung von Stickoxyden erfolgt. Ist hingegen die Verweilzeit des Brennstoffes innerhalb der Brennkammer stets kleiner als die Zeitspanne, innerhalb der sich die übrigen Brennstoffeinspeisungsphasen ausbilden, so erfolgt die Verbrennung im Wege einer Diffusion, durch die letztlich hohe Stickoxydanteile freigesetzt und darüber hinaus hohe Turbinenaustrittstemperaturen auftreten. Um dies sicher zu vermeiden wird der durch die zentrale Brennstoffdüse austretende Flüssigbrennstoff mit demineralisiertem Wasser versetzt, wodurch die Stickoxydemission sowie die hohen Brenneraustrittstemperaturen, durch die letztlich auch die Lebensdauer der Brennerkomponenten sowie die mit den Heißgasen in Kontakt tretenden Komponenten begrenzt werden, reduziert werden.

Um die sich innerhalb des Brenners ausbildende Brennstoffverteilung zu optimieren und Voraussetzungen zu schaffen, unter denen ein möglichst vollständiger Abbrand des in den Brenner eingespeisten Brennstoffes gewährleistet werden kann, sieht der in der vorstehend genannten Patentschrift beschriebene Vormischbrenner zusätzliche Brennstoffdüsen vor, die im Bereich der Lufteintrittsschlitze angebracht sind. Hierbei erfolgt die Zerstäubung des Flüssigbrennstoffes in Richtung der Längserstreckung der jeweiligen Lufteintrittsschlitze, um eine Durchmischung des Brennstoffes mit der Zuluft noch vor Eintritt in den Brennerraum zu ermöglichen. Nachteilhaft ist jedoch das nur geringe Eindringungsvermögen der Brennstoffeinspeisung in Längsrichtung zu den Lufteintrittschlitzen. Dies hat zur Folge, dass die Innenwandbereiche der Teilkegelschalen mit Brennstoff benetzt werden können, wodurch unmittelbar an den Innenwänden auftretende Abbranderscheinungen die Gefahr von lokalen Materialüberhitzungen an den selbst Teilkegelschalen entstehen läßt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vormischbrenner mit gestufter Flüssigbrennstoffversorgung mit wenigstens zwei, einen sich axialwarts konisch erweiternden Drallraum radialseitig begrenzenden Teilkegelschalen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes 1 derart weiterzubilden, dass die vorstehend zum Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden sollen. Insbesondere gilt es einen mit Flüssigbrennstoff betreibbaren Vormischbrenner in gestufter Betriebsweise, d.h. sowohl eine Brennstoffeinspeisung über eine zentrale Brennerdüse, als auch längs der Lufteintrittsschlitze, in Abhängigkeit der Brennerlast individuell mit Flüssigbrennstoff zu betreiben, zum Zwecke einer reduzierten Stickoxydemissionen im gesamten Brennerlastbereich. Besondere Beachtung gilt dabei der Ausbildung eine stets stabilen Verbrennung unter weitgehender Vermeidung sich innerhalb des Brennersystems ausbildenden thermoakustischen Schwingungen.

Das erfindungsgemäße Vormischbrennerkonzept ist im Anspruch 1 angegeben. Den erfindungsgemäß ausgebildeten Vormischbrenner vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Erfindungsgemäß weist der Vormischbrenner gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 Mittel zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff auf, die längs wenigstens eines Lufteintrittsschlitzes derart angeordnet sind, so dass der durch die Mittel zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff bedingte Flussigbrennstoffaustrag in Form eines sich senkrecht zur tangentialen Längserstreckung des Lufteintrittsschlitzes sowie eines sich senkrecht zur einer durch den Lufteintrittsschlitz gerichteten Luftströmung ausbreitenden Brennstoffsprays erfolgt. Im Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Vormischbrenner sind die Mittel zur Flüssigbrennstoffeinspeisung längs des Lufteintrittsschlitzes in Form einer Vielzahl einzelner Brennstoffdüsen ausgebildet, die längs des Lufteintrittsschlitzes, vorzugsweise im Innenwandbereich einer Teilkegelschale angeordnet sind, wobei die Düsenaustrittsöffnung jeder einzelnen Brennstoffdüse bündig mit der lokalen Teilkegelschalenwand abschließt, so dass aus jeder einzelnen Brennstoffdüse durch Zerstäubung von Brennstoff ein Brennstoffspray entsteht, das sich im Wesentlichen senkrecht zur Teilkegelwand in den Bereich des Lufteintrittsschlitzes oder einem benachbart zum Lufteintrittsschlitz liegenden Raumbereich ausbreitet. Selbstverständlich breitet sich das Brennstoffspray jeweils unter Ausbildung einer sich konisch aufweitenden Wolke aus, deren Hauptausbreitungsrichtung senkrecht zur Ebene der Düsenaustrittsöffnung steht. Auf diese Weise wird effektiv einer Benetzung der Teilkegelwandflächen mit Flüssigbrennstoff wirksam entgegen getreten. Lokale Abbranderscheinungen von Brennstoff unmittelbar an der Teilkegelwandoberfläche können gänzlich ausgeschlossen werden.

Da zudem der durch jeweils einen Lufteintrittsschlitz in den Brenner eintretende Luftstrom senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der durch die einzelnen Brennstoffdüsen gebildeten Brennstoffsprays gerichtet ist, tragen die zwischen den Brennstoffsprays und der Luftströmung auftretenden Scherkräfte zu einer den Zerstäubungsgrad verbessernde Scherwirkung bei, wodurch die durch die Brennstoffdüsen ausgetragenen Flüssigbrennstofftröpfchen noch weiter aufplatzen und sich somit verkleinern, so dass Flüssigbrennstofftröpfchen mit Tröpfchengrößen zwischen 20 und 50 μm gebildet werden, die einem sofortigen Verdampfungsprozess unterliegen, wodurch sich letztlich ein vollständig durchmischtes Brennstoff- Luftgemisch ausbildet.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die längs des jeweiligen Lufteintrittsschlitzes angeordneten Flüssigbrennstoffdüsen über eine gemeinsame Flüssigbrennstoffleitung verbunden, die modular in den Wandbereich einer Teilkegelschale integrierbar ist. Die Anzahl sowie der jeweils gegenseitige Abstand zweier benachbarter Flüssigbrennstoffdüsen längs einer derartig modular ausgebildeten Flüssigbrennstoffversorgungseinheit sind unter Berücksichtigung eines sich innerhalb des Brenners ausbildenden Brennstoff-Luftgemisches zu wählen. Vorteilhafte weiterführende Merkmale, durch die der erfindungsgemäß ausgebildete Vormischbrenner ergänzt werden kann sowie eine nähere Darstellung eines konkreten Ausführungsbeispiels ist unter Bezugnahme der im Weiteren beschriebenen Figuren entnehmbar.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Es zeigen:

Fig. 1 schematisierte Seitendarstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Vormischbrenners,

Fig. 2 schematisierte Querschnittsdarstellung durch den in Figur 1 dargestellten Vormischbrenner längs eingezeichneter Schnittlinien

Fig. 3a, b modular ausgebildete Flüssigbrennstoffversorgungseinheiten,

Fig. 4a, b schematisierte Schnittbilddarstellungen durch einen erfindungsge- mäss ausgebildeten Vormischbrenner sowie Vormischbrenner mit nachfolgendem Mischrohr Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Zur Beschreibung des in Figur 1 dargestellten kegelförmigen Vormischbrenners, der in Seiteπsichtdarstelluπg gezeigt ist, sei ebenso auf die Querschπittsdarstellung gemäß Figur 2 verwiesen. Ohne weitere Unterscheidungen zwischen Figur 1 und Figur 2 sei im Weiteren auf beide Figuren verwiesen.

So weist der dargestellte Vormischbrenner einen sich axialwarts konisch erweiternden Drallraum 1 auf, der von zwei Teilkegelschalen 2, 3 radial begrenzt ist. Die Teilkegelschalen 2, 3 sind teilweise ineinandergreifend angeordnet und grenzen mit ihren tangential verlaufenden Seitenkanten zwei Lufteintrittschlitze 4, 5 ein. Durch die bezüglich der Mittenachse A symmetrisch gegenüberliegenden Lufteintrittsschlitze 4, 5 tritt tangential in den Drallraum 1 Verbrennungsluft ein und breitet sich innerhalb des Drallraumes axialwarts als sich konisch aufweitende Drallströmung aus. Die Strömungscharakteristik der sich innerhalb des Drallraums 1 ausbildenden Drallströmung wird im wesentlichen durch die lichte Weite.der Lufteintrittsschlitze 4, 5 sowie durch den Konuswinkel bestimmt, der von beiden Teilkegelschalen 2, 3 mit der Mittenachse A eingeschlossen wird. Stromab des Brennergehäuses bzw. der Teilkegelschalen 2, 3 ist eine ringförmige Platte 6 vorgesehen, die zum einen für einen unstetigen Strömungsübergang am Brennerausgang sorgt und zudem eine Vielzahl von Löchern vorsieht, durch die zusätzlich Luft in den Bereich der sich stromab am Brenner anschließenden Brennkammer (nicht dargestellt) zu Zwecken der Flammenstabilisierung eingespeist wird. Aufgrund des unstetigen Strömungsüberganges zwischen Brenner und Brennkammer reisst die aus dem Brenner austretende Drallströmung ab und bildet eine Rückströmzone, innerhalb der das Brennstoffluftgemisch zur Zündung gebracht wird.

Die Einspeisung von Brennstoff in den Brenner erfolgt üblicherweise über eine zentral angeordnete Brennstoffdüse 13, über die Flüssigbrennstoff in Form eines feinst zerstäubten Brennstoffsprays in den Drallraum eingebracht wird. Es zeigt sich, dass die äußere Kontur der Brennstoffdüse 13 sowie deren Lage relativ zum Drallraum 1 eine strömungsdynamisch stabilisierende Wirkung auf die sich innerhalb des Drallraums 1 ausbildende Drallströmung besitzt. Je nach Ausführungsform kann die zentral angebrachte Brennstoffdüse 13 im Bereich des kleinsten Drallraumquerschnittes axial mittig angebracht sein, wie es aus dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 zu entnehmen ist. Ebenso ist es möglich, die Brennstoffdüse 13 an der Spitze einer Brennerlanze 6 vorzusehen, die weit in den Drallraum 1 des Brenners hineinreicht (siehe hierzu Brennerquerschnittsdarstellung gemäß Figur 2a, auf die detaillierter im weiteren noch eingegangen wird). Die letztgenannte Brennstoffdüsenanordnung stellt sicher, dass das Zündereignis des aus der Brennerlanze ausgebrachten Flüssigbrennstoffsprays, das sich mit dem Luftstrom der Drallströmung vermischt, außerhalb des Brenners innerhalb der Rückströmzone entzündet.

Zur Ausbildung eines Brennstoff-Luft-Gβmisches innerhalb des Drallraumes 1 sieht ein an sich bekannter Vormischbrenner neben der vorstehend beschriebenen, mittig angeordneten Brennstoffdüse zusätzliche Brennstoffzuführungsmittel vor, über die gasförmiger Brennstoff in den Bereich längs der Lufteintrittsschlitze 4, 5 eingebracht werden kann. Der gasförmige Brennstoff wird über tangential zu den Lufteintrittsschlitzen 4, 5 verlaufende Brennstoffzuführleitungen 7, 8 bereitgestellt, der über nicht weiter dargestellte Brennstoffdüsen in den Bereich der Lufteintrittsschlitze eingespeist wird. Durch die Möglichkeit der Brennstoffeinspeisung sowohl durch die mittig angeordnete Brennstoffdüse 2, als auch über die längs über die Lufteintrittsschlitze 4, 5 angeordneten Brennstoffzuführleitungen 7, 8 ist es möglich, die Brennstoffzufuhr räumlich getrennt voneinander vorzunehmen, und dies in Abhängigkeit der Brennerlast. Durch die räumlich geteilte Brennstoffzufuhrung, die auch als gestufte Brennstoffzufuhrung bezeichnet wird, ist es möglich, den Brenner im gesamten Brennerlastbereich unter Ausbildung einer stabilen Flamme innerhalb der Rückströmzone sowie über möglichst geringen Stickoxydemissionen zu betreiben. In dem Zusammenhang werden die zentral angeordnete Brennstoffdüse als Stufe 1 und die längs der Lufteintrittsschlitze 4, 5 verteilte Brennstoffzufuhr als Stufe 2 bezeichnet. Bisher im Einsatz befindliche Brenner sehen die Einspeisung von Flüssigbrennstoff durch die zentral angeordnete Brennstoffdüse vor, durch die entweder Flüssigbrennstoff oder ein Gemisch aus Flüssigbrennstoff und Wasser in den Drallraum eingebracht wird. Im Falle einer aus der zentral angeordneten Brennstoffdüsenanordnung austretenden Emulsion aus Brennstoff und Wasser ist das Massenverhältnis von Wasser zu Flüssigbrennstoff stets kleiner 1 ,0. Auch ist es bekannt im Rahmen eines dualen Brennerkonzeptes in der mittig angeordneten Brennstoffdüsenanordnung wenigstens eine Brennstoffdüse vorzusehen, durch die gasförmiger Brennstoff axial- und/oder radialwärts in den Drallraum eingespeist werden kann.

Um das duale Brennerkonzept zu optimieren, aber insbesondere auch die Möglichkeit zu schaffen, einen Brenner im gesamten Brenneriastbereich ausschließlich mit Flussigbrennstoff betreiben zu können, sind weitgehend parallel zu den bereits vorhandenen Gaszuführleitungen 7,8 im Bereich der Lufteintrittsschlitze 4, 5 Flüssigbrennstoffversorgungseinheiten 9, 10 vorgesehen, durch die Flüssigbrennstoff gezielt in den durch die Lufteintrittsschlitze 4, 5 eintretenden Luftstrom beigemischt werden kann. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform gemäß Figur 2 sind die Flüssigbrennstoffversorgungseinheiten 9,

10 jeweils als modulare Baueinheit ausgebildet, die in jeweils eine Teilkegelschale 2, 3 im Bereich ihrer Ahnströmungskante wenigstens teilweise integrierbar ist, so dass jeweils die durch die Lufteintrittsschlitze 4, 5 eintretende Luftströmungen möglichst unbeeinträchtigt hiervon bleiben. Die als Stufe 2 anzusehende Flüssigbrennstoffversorgungseinheiten 9, 10 sehen jeweils eine Vielzahl in Längsrichtung zur Anströmkante der Teilkegelschalen 2, 3 angeordnete Dusenauslaßoffnungen 11 vor, durch die Flüssigbrennstoff in kleinste Brennstofftröpfchen zerstäubt wird. Die Anzahl der einzelnen Dusenauslaßoffnungen

11 sowie deren gegenseitiger tangentiale Abstand hängen von einer gewünschten erzielbaren Flüssigbrennstoff-Luftverteilung ab und können je nach Größe, Form und Ausbildung des Vormischbrenners unter Berücksichtigung von möglichst niedrig anzustrebenden Stickoxydemissionen sowie unter dem Aspekt der Vermeidung von Brennkammerpulsationen in geeigneterweise gewählt werden. Insbesondere gilt es die Anzahl sowie die räumliche Verteilung der Flüssigbrennstoffdüsenöffnungen längs der Aπströmkante der jeweiligen Teilkegelschalen 2, 3 in einer Weise zu wählen, so dass Selbstzündungen in bestimmten Betriebsbereichen ausgeschlossen werden können.

Als besonders geeignet haben sich Düsenöffnungsdurchmesser von kleiner als 1 mm erwiesen, kombiniert mit einer typischen Düsenlänge von etwa 1 bis 10 mm. In diesem Zusammenhang sei auf die schematisierte Querschnittsdarstellung in Figur 2 verwiesen, aus der entnommen werden kann, dass jede einzelne Flüssigbrennstoffdüse aus einem Düsenkanal 12 und einer Düsenöffnung 11 zusammengesetzt ist, die bündig an der Teilkegelschaleninnenseite angrenzt, so dass sich das aus jeder einzelnen Brennstoffdüse ausbreitende Flüssigbrennstoffspray vorzugsweise senkrecht zur Teilkegelschaleninnenwand ausbreitet. Das sich aus jeder einzelnen Brennstoffdüse ausbreitende Brennstoffspray bildet eine sich konisch erweiternde Brennstoffspraywolke, die in Bezug zu einer die Düsenöffnung senkrecht schneidenden Achse einen Konuswinkel von ± 45° einschließt. Um zu vermeiden, dass den jeweiligen Düsenöffnungen gegenüberliegende Teilkegelschalenwandbereiche von dem sich ausbreitenden Brennstoffspraywolken benetzt werden, sind die

Flüssigbrennstoffversorgungseinheiten 9, 10 vorzugsweise stromab an der Anströmkante einer jeweiligen Teilkegelschale 2, 3 angeordnet, so dass den Düsenaustrittsöffnungen 11 keine Teilkegelschalenwand gegenüber liegt und sich so die aus den Brennstoffdüsenöffnungen austretenden Brennstoffspraywolken frei in das innere des Drall raums 1 ausbreiten können.

Um einen möglichst hohen Zerstäubungsgrad sowie eine möglichst große Eindringtiefe des in den Drallraum einzubringenden Flüssigbrennstoffes durch die Flüssigbrennstoffversorgungseinheiten zu gewährleisten, d.h. vorzugsweise sind Brennstofftröpfchen mit Tröpfchendurchmessern von maximal 50 μm anzustreben, vorzugsweise zwischen 20 und 50 μm, ist für einen Brennstoffversorgungsdruck innerhalb der Flüssigbrennstoffleitungen von wenigstens 20 bar zu sorgen. Neben dem Einsatz einfachster Brennstoffdüsen mit einem geradlinig verlaufenden Düsenkanal und einer ebenen Düsenöffnung, wie sie aus der schematisierten Bilddarstellung in Figur 2 entnommen werden können und in an sich bekannter Weise aus dem Dieselmotorenbereich bekannt sind, sieht eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform den Einsatz von Flüssigbrennstoffdüsen vor, die Düsenkonturen aufweisen, durch die eine lokale Druckerhöhung hervorgerufen wird, die zu einer erhöhten Turbulenzbildung innerhalb der zu zerstäubenden Flüssigkeit führt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt zur Ausbildung feinster Brennstoffflüssigkeitströpfchen betreffen die überaus hohen Scherkräfte, die zwischen den aus den einzelnen Brennstoffdüsen austretenden Flüssigbrennstoffsprays und der durch die Lufteintrittsschlitze 4, 5 eintretenden Luftströmungen herrschen. Da die Brennstoffdüsenöffnungen 11 in Strömungsrichtung unmittelbar nach dem engsten Strömungsquerschnitt der Lufteintrittsschlitze 4, 5 angeordnet sind, treten im Bereich der Flüssigbrennstoffdüsenöffnungen maximale Luftströmungsgeschwindigkeiten auf, die zu besonders großen Scherkräften führen, wodurch einerseits die sich ausbildende Flüssigbrennstoffwolke regelrecht in Strömungsrichtung der Luftströmung mitgerissen wird, wodurch Benetzungen mit Flüssigbrennstoff an Teilkegelwandbereichen vermieden wird, und andererseits die aus dem Flüssigbrennstoffdüsen ausgetragenen Flüssigtröpfchen weiter aufgespalten werden.

Aufgrund der sehr geringen Brennstofftröpfchengröße mit Brennstofftröpfchendurchmessern zwischen 20 und 50 μm, wird eine vollständige Verdampfung des Flüssigbrennstoffes innerhalb der sich zur Drallströmung ausbildenden Luftströmung sichergestellt, wodurch ein homogenes und vollständig verdampftes Brennstoffluftgemisch im Bereich der Rückströmzone unter Ausbildung einer räumlich stabilen Flamme gezündet wird.

In vorteilhafter Weise sieht der Brenner aufgrund der parallel verlaufenden Brennstoffzuführungen von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen längs der Lufteintrittsschlitze 4, 5 die Möglichkeit eines dualen Brennerkonzeptes vor, das in Abhängigkeit von der jeweiligen Brennstoffbevorratung und/oder der Brennerlast betrieben werden kann.

Durch den modularen Aufbau der Flüssigbrennstoffversorguπgseinheiten 9, 10 ist überdies die Nachrüstbarkeit an bestehenden Brennersystemen grundsätzlich möglich. So lassen sich die in jeweils vorzusehende Ausnehmungen innerhalb der Teilkegelschalen modular zu integrierende Flüssigbrennstoffversorgungseinheiten als einstückige Versorgungsleitungen ausbilden, wie sie in Figur 3 im einzelnen dargestellt sind. Die obere Bilddarstellung in Figur 3 zeigt einen Flüssigbrennstoffkanal, der an die Außenkontur eines konisch ausgebildeten Doppelkegelbrenner gemäß Bilddarstellung in Figur 1 oder 2 adaptierbar ist. Die äquitistant voneinander beabstandeten Brennstoffdüsen sind jeweils mit der Bezugsziffer 11 dargestellt.

Die untere Bilddarstellung in Figur 3 zeigt eine geradlinig ausgebildete Brennstoffleitung, die in Verbindung mit einem Mischrohr eingesetzt wird, das sich unmittelbar stromabwärts zu einem konisch ausgebildeten Vormischbrenner anschließt. Auf eine derartige Ausführungsvariante wird im Weiteren unter Bezugnahme auf Figur 4b Bezug genommen.

In Figur 4a sei zunächst nochmals auf den Einsatz einer lang ausgebildeten Brennerlanze 14 verwiesen, an deren Brennerlanzenspitze eine Flüssigbrennstoffdüsenanordnung 13 vorgesehen ist, aus der eine sich unter einem Winkel α konisch ausbreitende Flüssigbrennstoffwolke in axialer Richtung ausgetragen wird. Auf die unterschiedlichen druckbeaufschlagten Zerstäubungstechniken, mit der Flüssigbrennstoff aus dem Endbereich der Brennerlanze 14 ausgetragen wird, sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. So können je nach Düsenform Zerstäubungswinkel α zwischen 0° und 90° eingestellt werden. Auch ist es möglich zum Schütze der Brennerlanzenspitze gegenüber Überhitzung zusätzliche Luftauslässe vorzusehen, die die Brennerlanzenspitze effektiv zu kühlen vermögen. Hinzukommt, dass durch eine geeignet gewählte aerodynamische Formgebung der Lanzenspitze das die Flamme bestimmende Strömungsfeld günstig beeinflussbar ist, so dass sich eine möglichst stabile Flammenfront innerhalb der Brennkammer ausbilden kann.

Der Flussigbrennstoffaustrag über die zentral angeordnete Brennerlanze 14 eignet sich insbesondere für das Anfahren bzw. Zünden des Brenners sowie für untere Brennerlastbereiche. Für die mittlere und höhere Brennerlast ist die Brennstoffeinspeisung über die im vorstehenden beschriebenen längs der Lufteintrittsschlitze 4, 5 verteilt angeordneten Brennstoffdüsen vorzunehmen.

Sieht wie in Figur 4b dargestellt der Brenner im Anschluß an die Teilkegelschalen 2, 3 ein Mischrohr 15 vor, in dem sich das sich innerhalb des Drallraumes 1 ausbildenden Luftbrennstoffgemisch vollständiger zu Durchmischen vermag, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, längs des Mischrohres 15 Flüssigbrennstoffdüsen 16 vorzusehen, gleichsam jenen, die im Bereich der Lufteintrittsschlitze 4, 5 erfindungsgemäß angebracht sind. Für derartige, längs des Mischrohres vorzunehmende Flüssigbrennstoffeinspeisungen eignen sich Flüssigbrennstoffversorgungseinheiten, wie sie schematisch unter Bezugnahme auf Figur 2 untere Darstellung hervorgehen.

In Figur 4c ist eine Längsschnittdarstellung durch einen Vormischbrenner mit Teilkegelschalen 2, 3 und einer langen Brennerlanze 14 dargestellt. Die längs der durch die Teilkegelschalen 2, 3, eingeschlossenen Lufteintrittsschlitze (nicht sichtbar) verteilt angeordneten Brennstoffdüsen 11. von denen nur eine stilisiert eingezeichnet ist, sind gegen die Brennerachse A mit einem Winkel ß geneigt angeordnet. Der Neigungswinkel ß ist dabei derart orientiert, dass die Düsenaustrittsrichtung vorzugsweise entgegen der sich innerhalb des Drallraumes 1 ausbildende Hauptströmungsrichtung (siehe Pfeil) orientiert ist. Ebenso denkbar sind jedoch auch Neigungen in Richtung der Hauptströmungsrichtung. Somit kann ß grundsätzlich Werte annehmen, für die gilt, wobei der Öffnungswinkel des Vormischbrenners y sei: γ < ß < (γ + 180°). In den Figuren 4d und e sind Vormischbrenner mit jeweils einem Mischrohr 15 dargestellt. Die Ausführungsbeispiele sollen die Anordnungsgeometrie der Flüssigbrennstoffdüsen 16 verdeutlichen. So können die Flüssigbrennstoffdüsen 16 entweder in Umfangsrichtung (Fig. 4d) oder in axialer Reihung mit jeweils unterschiedlichen in Umfangsrichtung orientierten Positionen (Fig.4e) angeordnet sein. Im Falle der Fig. 4d können zur gezielten Reduzierung von sich innerhalb des Brenners ausbildenden thermoakustischen Schwingungen mehrerer Reihen von in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Flüssigbrennstoffdüsen vorgesehen werden. Im Falle der Flüssigbrennstoffdüsenanordnung gemäß Figur 4e können bestimmte radial und/oder axial innerhalb des Mischrohrs begrenzte mit Brennstoff angereicherte oder entsprechend magere Bereiche geschaffen werden.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass im Wege der erfindungsgemäßen Flüssigbrennstoffeinspeisung längs der Lufteintrittsschlitze in der vorstehend erfindungsgemäß geschilderten Weise eine deutlich verbesserte Durchmischung von verdampften Flüssigbrennstoff mit der über die Lufteintrittsschlitze in den Drallraum gelangenden Luft möglich wird, die eine stabile Verbrennung bei stark reduzierter Stickoxydemission hervorruft. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Flüssigbrennstoffzerstäubung längs der Lufteintrittsschlitze einen stabilen Brennerbetrieb ohne den Zusatz von Wasser bzw. nur mit geringsten Wasseranteilen.

Bezugszeichenliste

I Drallraum

2, 3 Teilkegelschale , 5 Lufteintrittsschlitze

6 ringförmige Abschlussplatte

7, 8 Gaszuleitung

9, 10 Flüssigbrennstoffzuleitung

I I Brennstoffdüse

12 Düsenkanal

12' Düsenöffnung

13 Brennstoffdüse

14 Brennerlanze

15 Mischrohr

16 Flüssigbrennstoffdüsen

Claims

Patentansprüche

1. Vormischbrenner mit gestufter Flüssigbrennstoffversorgung mit wenigstens zwei radialseitig einen sich axialwarts konisch erweiternden Drallraum (1 ) begrenzenden Teilkegelschalen (2, 3), die teilweise überlappend angeordnet sind und deren Teilkegelschalenmittenachsen versetzt zueinander verlaufen und deren gegenseitig überlappende Teilkegelschalenbereiche jeweils einen sich tangential zum Drallraum (1) erstreckenden Lufteintrittschlitz (4, 5) einschließen, mit einer axialwarts in den Drallraum (1) ragenden Brennerlanze (14), die Mittel (13) zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff in den Drallraum (1) vorsieht, sowie mit weiteren Mitteln (11) zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff, die im Bereich der Lufteintrittsschlitze (4, 5) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Mittel (11) zur Einspeisung von

Flüssigbrennstoff längs wenigstens eines Lufteintrittsschlitzes (4, 5) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der durch die weiteren Mittel bedingte

Flussigbrennstoffaustrag in Form eines sich senkrecht zur tangentialen

Längserstreckung des Lufteintrittsschlitzes (4, 5) sowie eines sich senkrecht zu einer durch den Lufteintrittsschlitz (4, 5) gerichteten Luftströmung ausbreitenden

Brennstoffsprays erfolgt.

2. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Mittel als Brenπstoffdüsen (11) ausgebildet sind, die längs der Lufteintrittschlitze (4, 5) verteilt angeordnet sind.

3. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (11) jeweils einen Düsenöffnungsdurchmesser aufweisen, der kleiner gleich 1 mm ist.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (11 ) einen Düsenkanal (12) aufweisen, der kleiner gleich 10 mm beträgt, vorzugsweise zwischen 1 mm und 10 mm liegt.

5. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aus jeder einzelnen Brennstoffdüse (11 ) austretende Brennstoffspray in Form einer sich konisch erweiternden Brennstoffspraywolke ausdehnt, die einen Öffnungswinkel bezogen zur Mittenachse der sich konisch erweiternden Brennstoffspraywolke von ± 45° aufweist.

6. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Mittel (11 ) zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff jeweils modular in Form einer Flüssigbrennstoffversorgungseinheit (9, 10) ausgebildet sind, die in jeweils eine Teilkegelschale (2, 3) integrierbar ist und über eine Anzahl von Brennstoffdüsen (11) verfügt, die längs der Flüssigbrennstoffversorgungseinheit (9, 10) angeordnet sind.

7. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (11) jeweils stromab zum von den sich gegenseitig überlappenden Teilkegelschalen (2, 3) begrenzenden Lufteintrittsschlitz (4, 5) in einer Teilkegelschale angeordnet sind.

8. Vormischbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (11 ) derart in einer Teilkegelschale (2, 3) angeordnet sind, dass sich das aus jeweils einer Brennstoffdüse (11) austretende Brennstoffspray ungehindert in den Drallraum (1) ausbreitet.

9. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass axialwarts an den Drallraum (1) anschließend ein Mischrohr (15) vorgesehen ist, und dass sich die weiteren Mittel (16) zur Flüssigbrennstoffeinspeisung zumindest in Teilbereichen des Mischrohrs (15) derart axialwarts erstrecken, dass eine in das Mischrohr (15) radial nach Innen gerichtete Flüssigbrennstoffeinspeisung vornehmbar ist.

10. Vormischbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die als Brennstoffdüsen ausgebildeten weiteren Mittel (16) zur Flüssigbrennstoffeinspeisung in Umfangsrichtung um das Mischrohr (15) angeordnet sind.

11. Vormischbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die als Brennstoffdüsen ausgebildeten weiteren Mittel (16) zur Flüssigbrennstoffeinspeisung in axialer Erstreckung und mit jeweils unterschiedlichen Positionen in Umfangsrichtung um das Mischrohr (15) angeordnet sind.

12. Vormischbrennern nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Mittel (11) zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff derart angeordnet und ausgebildet sind, dass ein Flüssigbrennstoffeintrag jeweils in den Bereich des Lufteintrittsschlitzes (4, 5) unter einem variablen oder fest vorgebbaren Winkel ß relativ zur Vormischbrennerachse A erfolgt.

13. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die axialwarts in den Drallraum (1 ) ragende Brennerlanze (14), neben dem Mittel (13) zur Einspeisung von Flüssigbrennstoff auch Mittel zur Einspeisung von Wasser oder Wasserdampf in den Drallraum (1 ) vorsieht.

14. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die längs der Lufteintrittschlitze (4, 5) verteilt angeordneten Brennstoffdüsen (11) zur Erzeugung eines Brennstoffsprays mit Tröpfchendurchmesser zwischen 20 und 30 μm einen Druckabfall von wenigstens 20 bar verursachen.