DE19545309A1

DE19545309A1 - Vormischbrenner

Info

Publication number: DE19545309A1
Application number: DE19545309A
Authority: DE
Inventors: Robin Mcmillan
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-12-05
Filing date: 1995-12-05
Publication date: 1997-06-12
Also published as: US5833451A; CN1163372A; JP3863608B2; EP0778445B1; CN1109847C; EP0778445A2; EP0778445A3; JPH09178120A; DE59610441D1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner, im wesentlichen bestehend aus mindestens zwei in Strömungsrichtung ineinan dergeschachtelten Teilkegelkörpern deren jeweilige Kegelach sen gegenüber einer Mittelachse versetzt sind, wodurch tan gentiale Schlitze für die Verbrennungsluft gebildet werden.

Stand der Technik

Derartige Vormischbrenner sind beispielsweise bekannt aus der EP-B1-0 321 809. Durch den als Drallbrenner ausgelegten Vor mischbrenner, der im wesentlichen aus zwei Kegelhalbschalen besteht, wird die Verbrennungsluft in Rotation versetzt. Der Brennstoff wird in die rotierende Luft eingeblasen und dort mit ihr vermischt. Am Brenneraustritt entsteht eine definier te kalottenförmige Rezirkulationszone, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezirkula tionszone vor dem Brenner stabilisiert, ohne einen mechani schen Flammenhalter zu benötigen. Das thermoakustische Ver halten solcher Brenner ist normalerweise stabil und sie zeichnen sich durch einen einfachen und kostengünstigen Auf bau aus.

Wird der Brenner mit gasförmigem Brennstoff betrieben, sind hierzu im Bereich der durch die beiden Kegelhalbschalen ge bildeten tangentialen Schlitze in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöffnungen vorgesehen. Im Gasbetrieb beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft somit bereits in der Zone der Eintritts schlitze.

An der Spitze der Kegelhalbschalen ist eine Brennstoffdüse für flüssigen Brennstoff angeordnet. Der Brennstoff wird in einem spitzen Winkel in die Hohlkegel eingedüst. Das entste hende kegelige Brennstoffprofil wird von der tangential ein strömenden Luft umschlossen. In axialer Richtung wird die Konzentration des Brennstoffes fortlaufend infolge der Vermi schung mit der verdichteten Luft abgebaut. Der Eindüsungswin kel des Brennstoffes wird dabei durch den Öffnungswinkel des Vormischbrenners bestimmt. Durch den geringen Öffnungswinkel wird jedoch eine gute Vermischung zwischen flüssigem und gas förmigem Brennstoff erschwert, was zu erhöhter Schadstoffe mission führen kann.

Bei Teillast, wenn der Betrieb des Vormischbrenners durch Eindüsung von gasförmigem Brennstoff im Bereich der tangen tialen Schlitze nicht mehr gewährleistet ist, wird über die an der Spitze der Kegelhalbschalen angeordnete Brennstoffdüse gasförmiger Brennstoff eingedüst. Durch den großen axialen Abstand zwischen Rückströmzone und Brennstoffdüse besteht je doch die Gefahr, das sich die axiale Position der Flamme än dert und es dadurch zu Pulsationen kommt. Weiter steigt, be dingt durch den großen axialen Abstand zwischen Rückströmzo ne und Brennstoffdüse, die Menge an benötigtem Brennstoff, was zu erhöhter Schadstoffemission führen kann.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vormisch brenner der eingangs genannten Art die Schadstoffemission zu senken und die Rückströmzone zu stabilisieren.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ausgehend von der Spitze der Teilkegelkörper eine sich stromabwärts ins Innere des Vormischbrenners erstreckende Speiselanze angeord net ist, die im wesentlichen symmetrisch zur Mittelachse ver läuft und daß am stromabwärtigen Ende der Speiselanze minde stens eine Brennstoffdüse angeordnet ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß die axiale Distanz zwischen Rückströmzone und Brenn stoffdüse durch die in den Brennerinnenraum ragende Speise lanze verkürzt wird. Dadurch wird die Rückströmzone in jedem Lastbereich in axialer Richtung stabilisiert und Pulsationen werden vermieden. Indem die Eindüsung des Brennstoffes durch die Brennstoffdüse in der Nähe der Rückströmzone erfolgt, wird zudem weniger Brennstoff zur Stabilisierung der Flamme benötigt. Somit ist es auch bei Teillastbetrieb möglich, den Vormischbrenner mit geringem Stickoxidausstoß zu betreiben. Die Außenfläche der Speiselanze dient zudem als Scherfläche, die die Durchmischung von gasförmigem Brennstoff und Verbren nungsluft unterstützt und damit die Schadstoffemission senkt. Durch die Positionierung der Brennstoffdüse in der Nähe der Rückströmzone kann der Eindüsungswinkel der Brennstoffdüse für flüssigen Brennstoff erhöht werden. Dadurch wird die Vor mischung bei der Verwendung flüssiger Brennstoffe verbessert und der Stickoxidausstoß gesenkt.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn sich die Speiselanze stromabwärts mindestens bis ins untere Drittel des Vormisch brenners erstreckt. Dies verhindert ein Zurückschlagen der Flammenfront ins Brennerinnere.

Weiter ist es zweckmäßig, die Speiselanze aus einem Lanzen rohr und einer darin angeordneten Brennstoffleitung zu bil den. Dadurch kann durch das Lanzenrohr ein Teil der Verbren nungsluft eingeblasen werden, wodurch die Durchmischung von Brennstoff und Luft unterstützt wird. Zudem wird verhindert, daß die Flamme sich an das Ende der Speiselanze anlagert.

Es ist vorteilhaft, zwischen dem Lanzenrohr und der Brenn stoffleitung einen Drallkörper anzuordnen. Dadurch kann der durch das Lanzenrohr eingeblasenen Luft ein beliebiger Drall verliehen werden, wodurch die Durchmischung weiter optimiert wird.

Zudem ist es zweckmäßig, am stromabwärtigen Ende des Lanzen rohres eine luftunterstützte Zerstäubungsdüse anzuordnen. Dies erlaubt flüssigen Brennstoff mit geringen Schadstoffe missionen zu verbrennen.

Es ist von Vorteil, daß der Vormischbrenner zumindest im Be reich des Brenneraustrittes einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Der kreisförmige Brenneraustritt erzeugt eine axial-symmetrische Strömung bezüglich der Mittelachse. Da durch werden Pulsationen, bedingt durch die Teilkegelachsen vermieden und die Rückströmzone weiter stabilisiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Vormischbrenners dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch den Vormischbrenner;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch den Vormischbrenner entlang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 das Detail III aus Fig. 1;

Fig. 4 einen Teilquerschnitt entlang Linie IV-IV in Fig. 4;

Fig. 5 einen Teilquerschnitt durch den Vormischbrenner entlang der Linie V-V in Fig. 1;

Fig. 6 einen Teilquerschnitt eines Adapters;

Fig. 7 eine schematische, perspektivische Darstellung des Adapters.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtungen der Arbeits mittel sind durch Pfeile wiedergegeben.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 und Fig. 2 ist schematisch ein Vormischbrenner 11 dargestellt. Es handelt sich im wesentlichen um einen soge nannten Doppelkegelbrenner, wie er aus der eingangs genannten EP-B1-0 321 809 bekannt ist. Der Vormischbrenner wird zur Vermischung von Verbrennungsluft und von Brennstoff vorgängig der Verbrennung eingesetzt, beispielsweise bei einer Gastur bogruppe. Ein solcher Vormischbrenner 11 besteht aus zwei hohlen, halbkegelförmigen Teilkörpern 12 und 13, die in Strö mungsrichtung ineinandergeschachtelt sind. Dabei sind die je weiligen Kegelachsen 14 und 15 der beiden Teilkörper gegen über der Mittelachse 10 des Vormischbrenners 11 versetzt. Die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper bilden in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze 16 für die verdichtete Verbrennungsluft 9, die auf diese Weise in das Brennerinnere gelangt.

Im Bereich der tangentialen Schlitze 16 sind an den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verlaufende Gaszufüh rungsleitungen 18 vorgesehen. Die Eindüsung des gasförmigen Brennstoffes erfolgt über nicht dargestellte, von der Gaszu führungsleitung 18 abzweigende Gaseinströmungsöffnungen.

Symmetrisch zur Mittelachse 10 des Vormischbrenners 11 ist ausgehend von der durch die Teilkegelkörper 12, 13 gebildeten Spitze eine sich stromabwärts erstreckende Speiselanze 1 an geordnet. Sie besteht aus einem Lanzenrohr 2 und einer darin angeordneten Brennstoffleitung 3. Die axiale Position des stromabwärtigen Endes der Speiselanze 1 liegt dabei vorzugs weise mindestens im unteren Drittel des Vormischbrenners 11, d. h. die Speiselanze kann auch aus dem Vormischbrenner 11 herausragen. Beispielsweise kann die Speiselanze 1 bis zu zwanzig Prozent der axialen Höhe des Vormischbrenners aus dem Vormischbrenner 11 herausragen. Im Innern des Lanzenrohres 2, vorzugsweise in der Nähe des stromabwärtigen Endes, ist ein Drallkörper 6 angeordnet.

Nach Fig. 3 und Fig. 4 besteht der Drallkörper 6 aus mehreren Umlenkkörpern 7, die zwischen Innenwand des Lanzenrohres und der Brennstoffleitung 3 angeordnet sind. Im Innern der Brenn stoffleitung 3 ist ein ringförmiger äußerer Brennstoffzu führkanal 5 und ein innerer Brennstoffzuführkanal 4 angeord net. Mittels des inneren Kanales 4 wird einer am stromabwär tigen Ende der Brennstoffleitung 3 befindlichen Brennstoffdü se 8 Brennstoff zugeführt. Diese Düse 8 ist als duale Düse zur Eindüsung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen aus gelegt. Der äußere Kanal 5 zweigt über die Umlenkkörper 7 in einen äußeren Brennstoffzuführkanal 5a im inneren des strom abwärtigen Endes des Lanzenrohres 2 ab. Der durch den äußeren Kanal 5 geförderte flüssige Brennstoff 30 wird dadurch an das stromabwärtige Ende des Lanzenrohres 2 geführt. Die am stromabwärtigen Ende des Lanzenrohres 2 gelegene Außenkante des Lanzenrohres dient als Zerstäubungskante 17.

Die in einem nicht dargestelltem Verdichter erzeugte verdich tete Verbrennungsluft 9 tritt über die tangentialen Schlitze 16 ins Innere des Vormischbrenners 11 ein. Durch die Ausge staltung des Vormischbrenners 11 wird die Luft 9 in Rotation versetzt, wobei die Drallzahl in Strömungsrichtung zunimmt. Bei Gasbetrieb beginnt die Gemischbildung mit der Verbren nungsluft 9 in der Zone der Eintrittsschlitze 16. Die Außenwand des Lanzenrohres 2 dient als zusätzliche Scherfläche, die die Durchmischung von Verbrennungsluft 9 und gasförmigem Brennstoff weiter unterstützt. Am Brenneraustritt 20 stellt sich eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beaufschlagten Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraus tritt 20, in der durch eine Brennkammerwand 19 gebildeten Brennkammer, eine definierte kalottenförmige Rückströmzone 21, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die axiale Position der Rückströmzone 21 wird durch die axiale Position des stromabwärtigen Endes der Speiselanze 1 fixiert. Dadurch wird die Rückströmzone daran gehindert, sich axial zu verschieben und damit zu pulsieren.

Bei Teillast, wenn der Betrieb des Vormischbrenners 11 durch Eindüsung von gasförmigem Brennstoff 31 im Bereich der tan gentialen Schlitze 16 nicht mehr gewährleistet ist, wird gas förmiger Brennstoff über die Düse 8 eingedüst. Der gasförmige Brennstoff wird dadurch in der Nähe der Rückströmzone 21 ein gedüst, wodurch Pulsationen zwischen Vollast- und Teillastbe trieb vermieden werden. Weiter wird die benötigte Menge an Brennstoff, der durch die Düse 8 eingedüst werden muß, redu ziert, da der Brennstoff direkt in die Rückströmzone 21 ein gedüst wird.

Durch den Hohlraum zwischen Lanzenrohr 2 und Brennstofflei tung 3 wird ebenfalls Verbrennungsluft 9a gefördert. Der durch das Lanzenrohr geförderte Verbrennungsluftanteil 9a kann dabei bis zu 25% des Gesamtluftstromes betragen. Durch den Drallkörper 6 wird die Verbrennungsluft 9a in Rotation versetzt. Die Art und Stärke des Dralles muß dabei den je weiligen Verhältnissen des Vormischbrenners angepaßt werden. So kann beispielsweise der Drallkörper 6 ausgelegt werden, daß der durch ihn erzeugte Drall entgegengesetzt zum Drall des Vormischbrenners 11 verläuft. Dies erhöht die Durch mischung von Verbrennungsluft 9, 9a und Brennstoff und ver hindert zusätzlich das Zurückschlagen der Rückströmzone 21 und somit der Flamme an das stromabwärtige Ende der Speise lanze 1.

Wird der Vormischbrenner 11 mit flüssigem Brennstoff betrie ben, wird der Brennstoff mittels der Speiselanze 1 eingedüst. Dies erfolgt mittels des äußeren Kanales 5, über den flüssi ger Brennstoff 30 zur Zerstäubungskante 17 gefördert wird. Mittels der durch das Lanzenrohr 2 geförderten Luft 9a wird dadurch eine luftunterstützte Zerstäubungsdüse 22 (engl. airblast atomizer) gebildet. Zur Verbesserung der Zerstäubung muß eventuell die Luft 9a gegenüber der Luft 9 weiter ver dichtet werden.

Weiter kann flüssiger Brennstoff über die Brennstoffdüse 8 eingedüst werden. Wegen der axialen Position der Düse 8 im Inneren des Vormischbrenners 11 kann der Sprühwinkel der Düse 8 sehr groß gewählt werden. Dadurch wird die Durchmischung von Luft 9, 9a und Brennstoff verbessert.

Nach Fig. 5 kann der Vormischbrenner zumindest am Brenneraus tritt 20 mit einem kreisförmigen Austritt ausgestattet sein. Die beiden Achsen 14, 15 der Teilkegelkörper 12, 13 müssen dazu zusammengebracht werden, beispielsweise auf die Mitte lachse 10. Durch den kreisförmigen Austritt wird die Rück strömzone 21 weiter stabilisiert und Pulsationen vermieden.

Nach Fig. 6 und Fig. 7 kann zur Überführung des Querschnit tes des Vormischbrenners 11 in einen kreisförmigen Quer schnitt am stromabwärtigen Ende des Vormischbrenners 11 ein Adapter 39 angebracht werden. Der Innenradius R_i der beiden Teilkegelkörper 12, 13 am Übergang zum Adapter 39 ist dabei größer als der Austrittsradius R_a des Adapters 39. Die Höhe h und die Größe des Winkels α des Adapters 39 sind von der Eintrittsform in den Adapter 39 abhängig. Der Winkel α ent spricht dem durchschnittlichen Strömungswinkel, so daß keine Ablösung auftreten kann. Die durchströmbare freie Fläche des Adapters 39 verringert sich in Richtung vom Eintritt bis zum Austritt des Adapters 39, daher wird hier die Strömung durch den Adapter zusätzlich beschleunigt.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Der Vor mischbrenner kann natürlich mit mehreren tangentialen Ein trittsschlitzen versehen werden. Die Speiselanze kann auch in andere Vormischbrenner als in den Doppelkegelbrenner einge baut werden. Die duale Düse kann auch aus zwei Düsen aufge baut werden, wobei dann der innere Zuführkanal entsprechend angepaßt werden muß. Der äußere Brennstoffzuführkanal kann auch von der Brennstoffleitung in das Lanzenrohr verlegt wer den.

Bezugszeichenliste

1 Speiselanze
2 Lanzenrohr
3 Brennstoffleitung
4 innerer Brennstoffzuführkanal
5, 5a äußerer Brennstoffzuführkanal
6 Drallkörper
7 Umlenkkörper
8 Brennstoffdüse
9, 9a verdichtete Verbrennungsluft
10 Mittelachse
11 Vormischbrenner
12 Teilkegelkörper
13 Teilkegelkörper
14 Kegelachse
15 Kegelachse
16 tangentiale Schlitze
17 Zerstäubungskante
18 Gaszuführungsleitung
19 Brennkammerwand
20 Brenneraustritt
21 kalottenförmige Rückströmzone
22 luftunterstützte Zerstäubungsdüse
30 flüssiger Brennstoff
31 gasförmiger Brennstoff
39 Adapter
α durchschnittlicher Strömungswinkel
R_i Innenradius Teilkegelkörper
R_a Austrittsradius Adapter
h Höhe Adapter

Claims

1. Vormischbrenner (11), im wesentlichen bestehend aus min destens zwei in Strömungsrichtung ineinandergeschachtel ten Teilkegelkörpern (12, 13), deren jeweilige Kegelach sen (14, 15) gegenüber einer Mittelachse (10) versetzt sind, wodurch tangentiale Schlitze (16) für die Verbren nungsluft (9) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von der Spitze der Teilkegelkörper (12, 13) eine sich stromabwärts ins Innere des Vormischbren ners (11) erstreckende Speiselanze (1) angeordnet ist, die im wesentlichen symmetrisch zur Mittelachse (10) verläuft und daß am stromabwärtigen Ende der Speiselan ze (1) mindestens eine Brennstoffdüse (8) angeordnet ist.

2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Speiselanze (1) stromabwärts mindestens bis ins untere Drittel des Vormischbrenners (11) er streckt.

3. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiselanze (1) im wesentlichen aus einem Lan zenrohr (2) und einer darin angeordneten Brennstofflei tung (3) besteht und daß am stromabwärtigen Ende der Brennstoffleitung (3) die Brennstoffdüse (8) angeordnet ist.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennstoffleitung (3) ein innerer Brenn stoffzuführkanal (4) und ein äußerer Brennstoffzuführ kanal angeordnet ist.

5. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am stromabwärtigen Ende des Lanzenrohres (2) eine luftunterstützte Zerstäubungsdüse (22) angeordnet ist.

6. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lanzenrohr (2) und der Brennstofflei tung (3) ein Drallkörper angeordnet ist.

7. Vormischbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallkörper aus mehreren Umlenkkörpern (7) be steht.

8. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vormischbrenner (11) zumindest im Bereich des Brenneraustrittes (20) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

9. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am stromabwärtigen Ende des Vormischbrenners (11) ein Adapter (39) angeordnet ist, dessen stromabwärtiges Ende einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

10. Vormischbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Innenradius (R_i) der beiden Teilkegelkörper (12, 13) des Vormischbrenners (11) am Übergang zum Ad apter (39) größer ist, als ein Austrittsradius (Ra) des Adapters (39).