DE4441641A1

DE4441641A1 - Brennkammer mit Vormischbrennern

Info

Publication number: DE4441641A1
Application number: DE4441641A
Authority: DE
Inventors: Melchior Dr Fischer
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority date: 1994-11-23
Filing date: 1994-11-23
Publication date: 1996-05-30
Also published as: JPH08219419A; EP0714001A2; US5655903A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer mit mindestens einem Vormischbrenner, der mit seinem Brenneraustritt auf einer den Brennraum der Brennkammer begrenzenden Frontplatte befestigt ist und mit gasförmigen Brennstoff betrieben wird, wobei der Brennstoff über Gaseinströmöffnungen, die um eine Brenner achse herum angeordnet sind, eingedüst wird und der Brenn stoff vorgängig der Zündung mit der Brennluft vermischt wird.

Stand der Technik

Derartige Vormischbrenner sind beispielsweise bekannt aus der EP-B1-0 321 809. Durch den als Drallkörper ausgelegten Vor mischbrenner wird die Luft in Rotation versetzt. Dadurch ent steht ein Rückströmgebiet in dem die Flamme stabilisiert wird. Am Außenrand des durch den Vormischbrenner erzeugten Wirbels kann die Strömungsgeschwindigkeit bis um hundert Meter pro Sekunde betragen. Gasförmiger Brennstoff wird in den Eintrittsspalten in die vom Verdichter heranströmende Verbrennungsluft über eine Reihe von Eindüsungsöffnungen ein gespritzt. Diese sind in der Regel über den ganzen Spalt gleichmäßig verteilt. Bei der Verbrennung des so erhaltenen Gasgemisches können jedoch in brennernahen Wandbereichen der Brennkammer Zonen mit hohen Wärmebelastungen entstehen, soge nannte "hot spots". Diese Zonen werden durch die heißen Abgase verursacht, die am Außenrand des Wirbels mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten auf die Brennkammerwand auftref fen. Die "hot spots" können zudem zur Bildung von unerwünsch ten Stickoxyden führen. Die Lage der "hot spots" ändert sich jeweils mit der Art der Betriebsbedingungen, d. h. ob Vollast oder Teillast gefahren wird, oder beispielsweise auch nach der Energieausbeute des verwendeten Brennstoffes.

Wird zum Schutz der Brennkammerwand eine verbesserte Kühlung vorgesehen, ist dies mit Nachteilen verbunden. Bei einer kon vektiven Kühlung entsteht durch die notwendige Erhöhung der Kühlluftgeschwindigkeit ein Druckabfall, wodurch der Wir kungsgrad vermindert wird. Bei einer Filmluftkühlung steht die Filmluft der Verbrennung nicht mehr zur Verfügung, wodurch sich die Stickoxydemission erhöhen kann. Allgemein ist zu sagen, daß die unnötige Kühlung thermisch unbelaste ter Zonen zu erhöhten Kohlenmonoxydemissionen führt und daß das Abgastemperaturprofil verschlechtert wird.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkam mer mit Vormischbrennern der eingangs genannten Art "hot spots" zu vermeiden, ohne daß die Brennkammerwand zusätzlich gekühlt werden muß.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß am Brenner austritt am Außenrand des durch den Vormischbrenner erzeug ten Strömungsfeldes die Brennstoffkonzentration geringer ist als im Innern des Strömungsfeldes, insbesondere in der Nähe der Brennerachse und daß die Temperatur der Verbrennungsgase am Außenrand der Rückströmkalotte, welche auf die Brennkam merwand auftreffen, niedriger ist als die mittlere Temperatur der Verbrennungsgase in der Rückströmkalotte.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß gezielt die Temperatur jener Verbrennungsgase vermindert wird, die an den Stellen der "hot spots" auf die Brennkammer wand auftreffen. Weiter ist dadurch keine Einbusse bezüglich des Wirkungsgrades und keine Erhöhung der Schadstoffemission zu erwarten.

Auch bei bereits installierten Vormischbrennern können Eindü sungsöffnungen nachträglich mit geringem Aufwand abgeblendet werden.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn bei Verwendung von Vor mischbrennern der Doppelkegelbauart der Vormischbrenner so gedreht wird, daß die rotierenden Verbrennungsgase möglichst weit vom Vormischbrenner entfernt auf die Brennkammerwand auftreffen. Dies reduziert die Auftreffgeschwindigkeit der Verbrennungsgase auf die Brennkammerwand, und damit die Bela stung der Brennkammerwand.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

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

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Brennkammer;

Fig. 2 einen Querschnitt durch denselben Vormischbrenner im Bereich der Kegelspitze;

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Vormischbrenner der Doppelkegel-Bauart im Bereich seines Austritts.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die Zu- und Anordnung des Brenners in der Brennkammer, die Brennstoffbereitstellung, die Regeleinrichtungen und derglei chen. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist mit 50 ein ummanteltes Plenum bezeichnet, wel ches in der Regel die von einem nicht dargestellten Verdich ter geförderte Verbrennungsluft aufnimmt und einer Brennkam mer 60 zuführt. Es kann sich dabei um eine Einzelbrennkammer oder eine Ringbrennkammer handeln.

Am Kopfende der Brennkammer, deren Brennraum mit einer Brenn kammerwand 63 ummantelt ist und durch eine Frontplatte 54 begrenzt ist, ist ein ringförmiger Dom 55 aufgesetzt. In die sem Dom ist ein Brenner 110 so angeordnet, daß der Brenner austritt 118 zumindest annähernd bündig ist mit der Front platte 54. Über die an ihrem äußeren Ende gelochte Domwan dung strömt die Verbrennungsluft aus dem Plenum 50 in das Dominnere und beaufschlagt die Brenner. Der Brennstoff wird dem Brenner über eine Brennstofflanze 120 zugeführt, welche die Dom- und die Plenumwand durchdringt.

Beim schematisch dargestellten Vormischbrenner 110 handelt es sich um einen sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er bei spielsweise aus der eingangs genannten EP-B1-0 321 809 bekannt ist. Wie auch aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, besteht er im wesentlichen aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern 111, 112, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind. Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen 113, 114 der beiden Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper bilden in deren Längser streckung tangentiale Schlitze 119 für die Verbrennungsluft, die auf diese Weise in das Brennerinnere gelangt.

Der Brenner wird im Beispielsfall mit gasförmigem Brennstoff betrieben. Hierzu sind im Bereich der tangentialen Schlitze in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung ver teilte Gaseinströmöffnungen 117 in Form von Düsen vorgesehen. Diese Düsen werden aus je einer Leitung 116 versorgt, welche ihrerseits von der Brennstofflanze 120 angespeist wird. In einem solchen Gasbetrieb beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft somit bereits in der Zone der Eintritts schlitze 119.

Am Brenneraustritt 118 des Brenners 110 stellt sich eine mög lichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beaufschlag ten kreisringförmigen Querschnitt ein. Es entsteht am Bren neraustritt eine definierte kalottenförmige Rezirkulations zone 121, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezirkulationszone vor dem Brenner sta bilisiert, ohne einen mechanischen Flammenhalter zu benötigen.

Gemäß der Erfindung ist nunmehr vorgesehen, die möglichst homogene Brennstoffkonzentration gezielt zu stören und zwar in der Weise, daß im Bereich der Brennerachse 100 in der Austrittsebene 118 des Brenners eine höhere Brennstoffkonzen tration vorliegt.

Dies wird erreicht, indem höchstens von der Frontplatte 54 stromaufwärts im unteren Drittel der tangentialen Schlitze 119 keine Gaseinströmöffnungen 117 vorgesehen sind (Fig. 3). Bei bereits installierten Vormischbrennern können nahe der Frontplatte 54 liegende Eindüsungsöffnungen bespielsweise durch Zuschweißen abgeblendet werden. Die übrigen Einstel lungen des Vormischbrenners können dabei ohne Änderungen belassen werden, da die Umverteilung des Brennstoffes nur zu einer geringen Erhöhung der mittleren Flammentemperatur führt. Damit wird die Erhöhung der Stickoxyd-Emission ver nachlässigbar.

Wird die Temperatur der Verbrennungsgase, die mit hohen Geschwindigkeiten bei den "hot spots" 70 auf die Brennkammer wand 63 auftreffen, um hundert Grad Celcius gesenkt, kann dies zu einer Reduktion der Temperatur an der Brennkammerwand von fünfzig Grad Celcius führen.

Bei Verwendung mehrerer Vormischbrenner 110 hat die Stellung der tangentialen Schlitze 119 zur Brennkammerwand 63 der Vor mischbrenner die an der Brennkammerwand liegen einen Einfluß auf die Lage der "hot spots" 70. Die in der Nähe der Brenn kammerwand 63 liegenden Vormischbrenner 110 können so gedreht werden, daß die rotierenden Verbrennungsgase möglichst weit vom Vormischbrenner entfernt auf die Brennkammerwand 63 auf treffen. Dies reduziert die Auftreffgeschwindigkeit der Ver brennungsgase auf die Brennkammerwand, und damit die thermi sche Belastung der Brennkammerwand. Die optimale Verdrehung der Vormischbrenner ist abhängig von der gewünschten Last, bei der die Auftreffgeschwindigkeit der Verbrennungsgase auf die Brennkammerwand minimal sein soll.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Üblicherweise sind nur bei brennkammerwandnahen Vormischbrennern, nahe der Frontplatte keine Eindüsungsöffnungen 117 vorgese hen. Die Anzahl und Auslegung der Eindüsungsöffnungen ist jeweils abhängig von der gewünschten Reduktion der Heißgas temperatur an der Brennkammerwand. Auch kann nur bei einer der beiden tangentialen Schlitze auf Eindüsungsöffnungen nahe der Frontplatte verzichtet werden.

Grundsätzlich ist die Erfindung auch nicht beschränkt auf Vormischbrenner der Doppelkegelbauart, bei welchen die Gemischanfettung in der Brennerachse erfolgt, sondern sie ist in allen Brennkammerzonen anwendbar, in denen eine Flammen stabilisierung durch ein vorherrschendes Luftgeschwindig keitsfeld erzeugt wird.

Der dargestellte Doppelkegelbrenner könnte überdies hinsicht lich einer gemischten Öl/Gas-Fahrweise in der Kegelspitze noch mit einer mit einer in der Brennerachse liegenden Brenn stoffdüse für flüssigen Brennstoff ausgerüstet sein. Der Brennstoff kann hieraus in einem gewissen Winkel in den Hohl kegel eingedüst werden. Das entstehende kegelige Flüssig brennstoffprofil wird von der tangential einströmenden Ver brennungsluft umschlossen. In axialer Richtung wird die Kon zentration des Brennstoffes fortlaufend infolge der Vermi schung mit der Verbrennungsluft abgebaut.

Bezugszeichenliste

50 Plenum
54 Frontplatte
55 Dom
60 Brennkammer
63 Brennkammerwand
70 hot spots
100 Brennerachse
110 Doppelkegelbrenner
111 Teilkörper
112 Teilkörper
113 Mittelachse
114 Mittelachse
116 Sammelleitung
117 Gaseinströmöffnung
118 Brenneraustritt
119 tangentialer Schlitz
120 Brennstofflanze
121 Rückstromkalotte

Claims

1. Brennkammer mit mindestens einem Vormischbrenner (110), der mit seinem Brenneraustritt (118) auf einer den Brennraum der Brennkammer (60) begrenzenden Frontplatte (54) befestigt ist und mit gasförmigen Brennstoff betrieben wird, wobei der Brennstoff über Gaseinström öffnungen (117), die um eine Brennerachse (100) herum angeordnet sind, eingedüst wird und der Brennstoff vor gängig der Zündung mit der Brennluft vermischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß am Brenneraustritt (118) am Außenrand des durch den Vormischbrenner (110) erzeugten Strömungsfeldes die Brennstoffkonzentration geringer ist als im Innern des Strömungsfeldes und daß die Temperatur der Verbren nungsgase am Außenrand der Rückströmkalotte (121), welche auf die Brennkammerwand (63) auftreffen, niedri ger ist als die mittlere Temperatur der Verbrennungsgase in der Rückströmkalotte (121).

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vormischbrenner (110) im wesentlichen aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern (111, 112) besteht, welche versetzt zueinander angeordnet sind, wodurch zwei tangentiale Lufteintrittsschlitze (119) gebildet werden, wobei bei mindestens einem, sich vorzugsweise in der Nähe der Brennkammerwand befindenden Vormischbrenner (110), entlang mindestens eines der tangentialen Schlitze (119) die Gaseinströmöffnungen (117) mindestens in den beiden oberen Dritteln des tangentialen Schlitzes von der Kegelspitze des Vormischbrenners (110) stromab wärts angeordnet sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung des Auftreffpunktes der Verbrennungs gase auf die Brennkammerwand (63) die Stellung der tan gentialen Schlitze (119) des Vormischbrenners (110) zur Brennkammerwand einstellbar ist.