EP1048898A1 - Burner - Google Patents

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EP1048898A1
EP1048898A1 EP98811145A EP98811145A EP1048898A1 EP 1048898 A1 EP1048898 A1 EP 1048898A1 EP 98811145 A EP98811145 A EP 98811145A EP 98811145 A EP98811145 A EP 98811145A EP 1048898 A1 EP1048898 A1 EP 1048898A1
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EP
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burner
internals
flow
burner according
air
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Ephraim Prof. Dr. Gutmark
Christian Oliver Dr. Paschereit
Wolfgang Weisenstein
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General Electric Switzerland GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2210/00—Noise abatement

Definitions

  • the invention relates to a burner for operating a unit for generating a Hot gas.
  • the cooling air flowing into the combustion chamber has a sound-absorbing effect and thus contributes to damping thermoacoustic vibrations.
  • an increasing proportion of the air is passed through the burners themselves in modern gas turbines and the cooling air flow is reduced.
  • the problems mentioned at the outset occur increasingly in modern combustion chambers.
  • One way of soundproofing is to connect Helmholtz dampers in the combustion chamber hood or in the area of the cooling air supply. In tight Space as is typical for modern, compact combustion chambers such dampers can be difficult to accommodate and is associated with great design effort.
  • thermoacoustic vibrations through active acoustic excitation.
  • the one that develops in the area of the burner Scher für acoustically excited With a suitable phase position between the Thereby, damping of thermoacoustic vibrations and excitation can be achieved of the combustion chamber vibrations.
  • damping of thermoacoustic vibrations and excitation can be achieved of the combustion chamber vibrations.
  • such a solution requires the installation of additional elements in the combustion chamber.
  • the invention as characterized in the claims is the task of creating a device that is effective Suppression of thermoacoustic vibrations possible and with as possible low design effort. This object is achieved according to the invention solved by the burner according to claim 1.
  • Coherent structures play a crucial role in mixing processes between air and fuel.
  • the spatial and temporal dynamics of these structures affects combustion and heat release.
  • the invention is now the Based on the idea of disturbing the formation of coherent vortex structures the periodic heat release fluctuation and thus the amplitude of the reduce thermoacoustic fluctuations.
  • a burner according to the invention for operating a unit for generating a Hot gas consists essentially of at least two hollow, towards the Flow nested partial bodies, their central axes to each other run offset, such that adjacent walls of the partial body to the Burner slots tangential air inlet channels for the inflow of combustion air form into an interior space specified by the partial bodies.
  • the burner exhibits axial eddy strength in the flow a plurality of internals protruding into the flow.
  • the internals are arranged at the burner outlet. It has also proven to be particularly advantageous if the internals both are arranged at the burner outlet and along the burner slots.
  • Vortex generator is a device that designates the axial vortex strength in introduces a current without a recirculation zone in a wake area produce.
  • the flow instabilities in the burner mostly have a dominant mode.
  • the damping of this dominant mode is a priority for the suppression of thermoacoustic vibrations.
  • the relevant frequencies are between a few 10 Hz and a few kHz.
  • the convection speed depends on the burner and is typically a few 10 m / s, for example 30 m / s.
  • the dominant fashion suppresses particularly effectively becomes, if the distances s of adjacent installation elements smaller or approximately are equal to half the wavelength of the dominant fashion. This applies to the distance Installations installed along the burner outlet, such as for those along the burner slots arranged elements.
  • Figure 1 shows a known premix burner, which consists of two half hollow conical bodies 1, 2, which are arranged offset to one another.
  • the partial cone bodies 1, 2 have cylindrical starting parts 9, 10, which include a fuel nozzle 11 through which liquid Fuel 12 is injected.
  • the partial cone bodies 1, 2 each as required a fuel line 13, 14, which are provided with openings 15 through which gaseous fuel 16 flowing through the tangential air inlet channels 5, 6 Combustion air 7 is added.
  • the burner has a collar-shaped, as anchoring for the Partial cone body 1, 2 serving front plate 18 with a number of holes 19, through which, if necessary, dilution air or cooling air 20 the front part of the Combustion chamber or its wall can be supplied.
  • the fuel injection can be an air-assisted nozzle or one Act nozzle working according to the pressure atomization principle.
  • the conical spray pattern is enclosed by the combustion air flows 7 flowing in tangentially.
  • the concentration of the injected fuel 12 becomes in the direction of the flow 30 continuously degraded by the combustion air streams 7.
  • the mixture formation with the combustion air 7 already begins in this area.
  • the optimal homogeneous fuel concentration achieved across the cross-section.
  • the ignition of the fuel / combustion air mixture begins at the top of the backflow zone 24. Only at this point can a stable flame front 25 arise.
  • each partial cone body had 1.2 at the burner outlet ten triangular internals 32 attached, the total of a sawtooth structure formed (Fig. 2).
  • the dimensions of the structure depended on the wavelength the dominant mode of flow instability to be suppressed, its Frequency in the exemplary embodiment was in the kHz range.
  • the experimental determination 5 shows that the amplitude of the thermoacoustic Fluctuations due to the internals ("sawtooth internals", open circles) compared to a conventional burner ("unchanged", full squares) by one can be reduced by two orders of magnitude.
  • FIG. 6 shows the results of an experimental determination the pressure fluctuations in the 100 Hz range when using conventional Burners ("unchanged”, full squares) and burners according to the previous one Au entrysbeispiels the invention ("sawtooth internals", open circles) as a function the air number ⁇ .
  • the air ratio ⁇ is a measure of the ratio of those in the combustion chamber introduced to that theoretically required for complete combustion Air volume.
  • the present invention changes the amplitude the pressure vibrations in the particularly relevant range 1.8 ⁇ ⁇ ⁇ 2.2 still significantly reduced in the 100 Hz range.
  • Vortex generators 34 instead of geometrically simple internals, Vortex generators 34 used as internals.
  • Figures 4a-b show two embodiments for vortex generators 34, each on the edge 36 of a partial cone body are attached.
  • the reference numeral 40 denotes the local flow direction of the work equipment.
  • the vortex structures generated by the vortex generators 34 42 are each shown schematically.
  • the vortex generator of Fig. 4a creates a pair of vertebrae that rotate inwards, similar to a delta wing.
  • the vortex generator shown in FIG. 4b generates an outward rotating pair of vertebrae.
  • vortex generators 34 were in the burner built-in. Ten of the vortex generators were along the burner outlet as in Fig. 2 the circumference of the partial cone body 1.2 attached. Five further vortex generators each were fixed along the burner slots 5a, 6a as shown in FIG. 3 shows only one of the two burner slots.
  • FIG. 7 shows the results of an experimental determination of the pressure fluctuations in the 100 Hz range depending on the air ratio ⁇ when using a conventional burner ("unchanged”, full squares) and a burner with the described arrangement of vortex generators ("vortex generators", open circles).
  • the pressure fluctuations are compared to one over a wide range ⁇ ⁇ 2.2 unchanged burner significantly reduced.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

The burner has a pair of interfitting hollow bodies (1,2) extending in the flow direction, with their central axes offset fr one another, their adjacent walls provided with air entry channels for the combustion air, tangential to the burner slits and th inside surfaces provided with projections (32) extending into the space (8) enclosed by the hollow bodies, for providing an axia flow turbulence.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Betrieb eines Aggregats zur Erzeugung eines Heißgases.The invention relates to a burner for operating a unit for generating a Hot gas.

Stand der TechnikState of the art

Thermoakustische Schwingungen stellen eine Gefahr für jede Art von Verbrennungsanwendungen dar. Sie führen zu Druckschwankungen hoher Amplitude, zu einer Einschränkung des Betriebsbereiches und können die mit der Verbrennung verbundenen Emissionen erhöhen. Diese Probleme treten besonders in Verbrennungssystemen mit geringer akustischer Dämpfung, wie sie moderne Gasturbinen oft darstellen, auf. Thermoacoustic vibrations pose a threat to any type of combustion application They lead to pressure fluctuations of high amplitude, too a limitation of the operating range and can with combustion increase associated emissions. These problems occur particularly in combustion systems with low acoustic damping, as used in modern gas turbines often represent on.

In herkömmlichen Brennkammern wirkt die in die Brennkammer einströmende Kühlluft schalldämpfend und trägt damit zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen bei. Um niedrige NOx-Emissionen zu erzielen, wird in modernen Gasturbinen ein zunehmender Anteil der Luft durch die Brenner selbst geleitet und der Kühlluftstrom reduziert. Durch die damit einhergehende geringere Schalldämpfung treten die eingangs angesprochenen Probleme in modernen Brennkammern demnach verstärkt auf.In conventional combustion chambers, the cooling air flowing into the combustion chamber has a sound-absorbing effect and thus contributes to damping thermoacoustic vibrations. In order to achieve low NO x emissions, an increasing proportion of the air is passed through the burners themselves in modern gas turbines and the cooling air flow is reduced. As a result of the associated lower sound damping, the problems mentioned at the outset occur increasingly in modern combustion chambers.

Eine Möglichkeit der Schalldämpfung besteht im Ankoppeln von Helmholtz-Dämpfern in der Brennkammerhaube oder im Bereich der Kühlluftzuführung. Bei engen Platzverhältnissen wie sie für moderne, kompakt gebaute Brennkammern typisch sind, kann die Unterbringung solcher Dämpfer jedoch Schwierigkeiten bereiten und ist mit großem konstruktiven Aufwand verbunden.One way of soundproofing is to connect Helmholtz dampers in the combustion chamber hood or in the area of the cooling air supply. In tight Space as is typical for modern, compact combustion chambers such dampers can be difficult to accommodate and is associated with great design effort.

Eine weitere Möglichkeit besteht in einer Kontrolle thermoakustischer Schwingungen durch aktive akustische Anregung. Dabei wird die sich im Bereich des Brenners ausbildende Scherschicht akustisch angeregt. Bei geeigneter Phasenlage zwischen den thermoakustischer Schwingungen und der Anregung läßt sich dadurch eine Dämpfung der Brennkammerschwingungen erreichen. Eine solche Lösung erfordert allerdings den Anbau zusätzlicher Elemente im Bereich der Brennkammer.Another option is to control thermoacoustic vibrations through active acoustic excitation. Thereby, the one that develops in the area of the burner Scherschicht acoustically excited. With a suitable phase position between the Thereby, damping of thermoacoustic vibrations and excitation can be achieved of the combustion chamber vibrations. However, such a solution requires the installation of additional elements in the combustion chamber.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine wirkungsvolle Unterdrückung thermoakustischer Schwingungen ermöglicht und mit möglichst geringem konstruktiven Aufwand verbunden ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Brenner gemäß Anspruch 1 gelöst.This is where the invention comes in. The invention as characterized in the claims is the task of creating a device that is effective Suppression of thermoacoustic vibrations possible and with as possible low design effort. This object is achieved according to the invention solved by the burner according to claim 1.

Kohärente Strukturen spielen eine entscheidende Rolle bei Mischungsvorgängen zwischen Luft und Brennstoff. Die räumliche und zeitliche Dynamik dieser Strukturen beeinflußt die Verbrennung und die Wärmefreisetzung. Der Erfindung liegt nun die Idee zugrunde, die Ausbildung von kohärenten Wirbelstrukturen zu stören um dadurch die periodische Wärmefreisetzungsschwankung und damit die Amplitude der thermoakustischen Schwankungen zu reduzieren.Coherent structures play a crucial role in mixing processes between air and fuel. The spatial and temporal dynamics of these structures affects combustion and heat release. The invention is now the Based on the idea of disturbing the formation of coherent vortex structures the periodic heat release fluctuation and thus the amplitude of the reduce thermoacoustic fluctuations.

Ein erfindungsgemäßer Brenner zum Betrieb eines Aggregats zur Erzeugung eines Heißgases, besteht im wesentlichen aus mindestens zwei hohlen, in Richtung der Strömung ineinandergeschachtelten Teilkörpern, deren Mittelachsen zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß benachbarte Wandungen der Teilkörper an den Brennerschlitzen tangentiale Lufteintrittskanäle für die Einströmung von Verbrennungsluft in einen von den Teilkörpern vorgegebenen Innenraum bilden. Zum Einbringen axialer Wirbelstärke in die Strömung weist der Brenner erfindungsgemäß eine Mehrzahl von in die Strömung ragende Einbauten auf.A burner according to the invention for operating a unit for generating a Hot gas, consists essentially of at least two hollow, towards the Flow nested partial bodies, their central axes to each other run offset, such that adjacent walls of the partial body to the Burner slots tangential air inlet channels for the inflow of combustion air form into an interior space specified by the partial bodies. For insertion According to the invention, the burner exhibits axial eddy strength in the flow a plurality of internals protruding into the flow.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Einbauten am Brenneraustritt angeordnet. Als besonders vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, wenn die Einbauten sowohl am Brenneraustritt, als auch entlang der Brennerschlitze angeordnet sind.In a preferred embodiment, the internals are arranged at the burner outlet. It has also proven to be particularly advantageous if the internals both are arranged at the burner outlet and along the burner slots.

Für die Einbauten ist jede denkbare Form möglich. Sie können sowohl flach sein, als auch eine ausgeprägte dreidimensionale Struktur aufweisen. Mit Vorteil werden sie etwa in einer Sägezahnstruktur, sinusförmig oder rechteckig ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einbauten in Form von Wirbelgeneratoren gestaltet sind. Dabei ist mit "Wirbelgenerator" ein Vorrichtung bezeichnet, die axiale Wirbelstärke in eine Strömung einbringt, ohne eine Rezirkulationszone in einem Nachlaufgebiet zu erzeugen.Any conceivable shape is possible for the internals. They can be both flat and also have a distinctive three-dimensional structure. With advantage they will approximately in a sawtooth structure, sinusoidal or rectangular. Especially It is advantageous if the internals are designed in the form of vortex generators. A "vortex generator" is a device that designates the axial vortex strength in introduces a current without a recirculation zone in a wake area produce.

Die Strömungsinstabilitäten im Brenner weisen zumeist eine dominante Mode auf. Die Dämpfung dieser dominanten Mode ist für die Unterdrückung thermoakustischer Schwingungen vordringlich. Die Wellenlänge der dominante Mode der Instabilität ergibt sich auch ihrer Frequenz f und der Konvektionsgeschwindigkeit uc über λ = uc /f. Die relevanten Frequenzen liegen zwischen einigen 10 Hz und einigen kHz. Die Konvektionsgeschwindigkeit hängt vom Brenner ab und beträgt typischerweise einige 10 m/s, beispielsweise 30 m/s. The flow instabilities in the burner mostly have a dominant mode. The damping of this dominant mode is a priority for the suppression of thermoacoustic vibrations. The wavelength of the dominant mode of instability also results from its frequency f and the convection speed u c via λ = u c / f . The relevant frequencies are between a few 10 Hz and a few kHz. The convection speed depends on the burner and is typically a few 10 m / s, for example 30 m / s.

Es wurde nun gefunden, daß die dominante Mode besonders wirkungsvoll unterdrückt wird, wenn die Abstände s benachbarter Einbauelemente kleiner oder etwa gleich der halben Wellenlänge der dominanten Mode sind. Dies gilt für den Abstand entlang des Brenneraustritts angebrachter Einbauten, wie für die entlang der Brennerschlitze angeordneten Elemente.It has now been found that the dominant fashion suppresses particularly effectively becomes, if the distances s of adjacent installation elements smaller or approximately are equal to half the wavelength of the dominant fashion. This applies to the distance Installations installed along the burner outlet, such as for those along the burner slots arranged elements.

Das erfindungsgemäße Einbringen von Wirbelstärke in axialer Richtung zur Störung kohärenter Wirbelstrukturen durch in die Strömung ragende Einbauten läßt sich nicht nur bei dem hier beschriebenen Doppelkegelbrenner, sondern ebenso bei anderen Brennertypen anwenden.The introduction of vortex strength in the axial direction to the disturbance Coherent vortex structures due to internals protruding into the flow cannot be achieved only with the double-cone burner described here, but also with others Use burner types.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen. Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1
einen Brenners nach dem Stand der Technik in perspektivischer Darstellung entsprechend aufgeschnitten;
Fig. 2
eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brenners;
Fig. 3
eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Brenners;
Fig. 4a-b
Ausführungsbeispiele für Wirbelgeneratoren zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Brenner;
Fig. 5
eine logarithmische Auftragung der relativen Druckamplitude im kHz-Bereich gegen die Brennerleistung für einen unveränderten Brenner nach dem Stand der Technik und für einen erfindungsgemäßen Brenner mit sägezahnförmigen Einbauten;
Fig. 6
eine Auftragung der relativen Druckamplitude im 100 Hz-Bereich gegen die Luftzahl λ für einen unveränderten Brenner nach dem Stand der Technik und für einen erfindungsgemäßen Brenner mit sägezahnförmigen Einbauten;
Fig. 7
eine Auftragung der relativen Druckamplitude im 100 Hz-Bereich gegen die Luftzahl λ für einen unveränderten Brenner nach dem Stand der Technik und für einen erfindungsgemäßen Brenner mit Wirbelgeneratoren;
Further advantageous refinements, features and details of the invention result from the dependent claims, the description of the exemplary embodiments and the drawings. The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. Only the elements essential for understanding the invention are shown. It shows
Fig. 1
a burner according to the prior art in a corresponding perspective cut open;
Fig. 2
a front view of an embodiment of a burner according to the invention;
Fig. 3
a schematic side view of a burner according to the invention;
4a-b
Embodiments of vortex generators for use in a burner according to the invention;
Fig. 5
a logarithmic plot of the relative pressure amplitude in the kHz range against the burner output for an unchanged burner according to the prior art and for a burner according to the invention with sawtooth-shaped internals;
Fig. 6
a plot of the relative pressure amplitude in the 100 Hz range against the air ratio λ for an unchanged burner according to the prior art and for a burner according to the invention with sawtooth-shaped internals;
Fig. 7
a plot of the relative pressure amplitude in the 100 Hz range against the air ratio λ for an unchanged burner according to the prior art and for a burner according to the invention with vortex generators;

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Figur 1 zeigt einen bekannten Vormischbrenner, der aus zwei halben hohlen Teilkegelkörpern 1, 2, besteht, die versetzt zueinander angeordnet sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse der Teilkegelkörper 1, 2 zueinander schafft auf beiden Seiten in spiegelbildlicher Anordnung jeweils einen tangentialen Lufteintrittskanal 5, 6 an den Brennerschlitzen 5a, 6a, durch welchen die Verbrennungsluft 7 in den Innenraum 8 des Brenners strömt. Die Teilkegelkörper 1, 2 weisen zylindrische Anfangsteile 9, 10 auf, die eine Brennstoffdüse 11 beinhalten durch die flüssiger Brennstoff 12 eingedüst wird. Weiter weisen die Teilkegelkörper 1, 2 nach Bedarf je eine Brennstoffleitung 13, 14 auf, die mit Öffnungen 15 versehen sind, durch welche gasförmiger Brennstoff 16 der durch die tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 strömenden Verbrennungsluft 7 zugemischt wird.Figure 1 shows a known premix burner, which consists of two half hollow conical bodies 1, 2, which are arranged offset to one another. The dislocation the respective central axis of the partial cone body 1, 2 creates each other on both Sides in mirror-image arrangement each have a tangential air inlet duct 5, 6 at the burner slots 5a, 6a through which the combustion air 7 enters the interior 8 of the burner flows. The partial cone bodies 1, 2 have cylindrical starting parts 9, 10, which include a fuel nozzle 11 through which liquid Fuel 12 is injected. Furthermore, the partial cone bodies 1, 2 each as required a fuel line 13, 14, which are provided with openings 15 through which gaseous fuel 16 flowing through the tangential air inlet channels 5, 6 Combustion air 7 is added.

Brennraumseitig 17 weist der Brenner eine kragenförmige, als Verankerung für die Teilkegelkörper 1, 2 dienende Frontplatte 18 mit einer Anzahl von Bohrungen 19 auf, durch welche bei Bedarf Verdünnungsluft oder Kühlluft 20 dem vorderen Teil des Brennraumes bzw. dessen Wand zugeführt werden kann.Combustion chamber side 17, the burner has a collar-shaped, as anchoring for the Partial cone body 1, 2 serving front plate 18 with a number of holes 19, through which, if necessary, dilution air or cooling air 20 the front part of the Combustion chamber or its wall can be supplied.

Bei der Brennstoffeindüsung kann es sich um eine luftunterstüzte Düse oder um eine nach dem Druckzerstäubungsprinzip arbeitende Düse handeln. Das kegelige Spraybild wird von den tangential einströmenden Verbrennungsluftströmen 7 umschlossen. Die Konzentration des eingedüsten Brennstoffs 12 wird in Richtung der Strömung 30 fortlaufend durch die Verbrennungsluftströme 7 abgebaut. Wird ein gasförmiger Brennstoff 16 im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 eingebracht, beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 7 bereits in diesem Bereich. Beim Einsatz eines flüssigen Brennstoffs 12 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 24 am Ende des Vormischbrenners die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Die Zündung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches beginnt an der Spitze der Rückströmzone 24. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 25 entstehen.The fuel injection can be an air-assisted nozzle or one Act nozzle working according to the pressure atomization principle. The conical spray pattern is enclosed by the combustion air flows 7 flowing in tangentially. The concentration of the injected fuel 12 becomes in the direction of the flow 30 continuously degraded by the combustion air streams 7. Becomes a gaseous Fuel 16 introduced in the region of the tangential air inlet ducts 5, 6, The mixture formation with the combustion air 7 already begins in this area. When using a liquid fuel 12, in the area of the vortex burst, in the area of the backflow zone 24 at the end of the premix burner, the optimal homogeneous fuel concentration achieved across the cross-section. The ignition of the fuel / combustion air mixture begins at the top of the backflow zone 24. Only at this point can a stable flame front 25 arise.

In einem Ausführungsbeispiel wurden an jedem Teilkegelkörper 1,2 am Brenneraustritt zehn dreieckige Einbauten 32 befestigt, die insgesamt eine Sägezahnstruktur bildeten (Fig. 2). Die Abmessungen der Struktur richtete sich dabei nach der Wellenlänge der dominante Mode der zu unterdrückenden Strömungsinstabilität, deren Frequenz im Ausführungsbeispiel im kHz-Bereich lag. Die experimentelle Bestimmung der Druckschwankungen von Fig. 5 zeigt, daß die Amplitude der thermoakustischen Schwankungen durch die Einbauten ("Sägezahneinbauten", offene Kreise) gegenüber einem konventionellen Brenner ("unverändert", volle Quadrate) um ein bis zwei Größenordnungen reduziert werden.In one exemplary embodiment, each partial cone body had 1.2 at the burner outlet ten triangular internals 32 attached, the total of a sawtooth structure formed (Fig. 2). The dimensions of the structure depended on the wavelength the dominant mode of flow instability to be suppressed, its Frequency in the exemplary embodiment was in the kHz range. The experimental determination 5 shows that the amplitude of the thermoacoustic Fluctuations due to the internals ("sawtooth internals", open circles) compared to a conventional burner ("unchanged", full squares) by one can be reduced by two orders of magnitude.

Obwohl die Abmessungen der Einbauten auf Schwingungen im kHz-Bereich ausgelegt waren, erstreckte sich die dämpfende Wirkung der Einbauten auf einen weiten Frequenzbereich. Figur 6 zeigt die Ergebnisse einer experimentellen Bestimmung der Druckschwankungen im 100 Hz-Bereich bei Verwendung von konventionellen Brennern ("unverändert", volle Quadrate) und von Brennern gemäß dem vorigen Auführungsbeispiels der Erfindung ("Sägezahneinbauten", offene Kreise) als Funktion der Luftzahl λ. Die Luftzahl λ ist dabei ein Maß für das Verhältnis der in den Verbrennungsraum eingeführten zu der zur vollständigen Verbrennung theoretisch benötigten Luftmenge. Wie Fig. 6 zeigt, wird durch die vorliegende Erfindung die Amplitude der Druckschwingungen im besonders relevanten Bereich 1.8 ≤ λ ≤ 2.2 auch im 100 Hz-Bereich noch deutlich reduziert. Although the dimensions of the internals are designed for vibrations in the kHz range were the damping effect of the internals extended Frequency range. Figure 6 shows the results of an experimental determination the pressure fluctuations in the 100 Hz range when using conventional Burners ("unchanged", full squares) and burners according to the previous one Auführungsbeispiels the invention ("sawtooth internals", open circles) as a function the air number λ. The air ratio λ is a measure of the ratio of those in the combustion chamber introduced to that theoretically required for complete combustion Air volume. As shown in Fig. 6, the present invention changes the amplitude the pressure vibrations in the particularly relevant range 1.8 ≤ λ ≤ 2.2 still significantly reduced in the 100 Hz range.

In weiteren Ausführungsbeispielen wurden statt geometrisch einfacher Einbauten Wirbelgeneratoren 34 als Einbauten verwendet. Figuren 4a-b zeigen zwei Ausführungsformen für Wirbelgeneratoren 34, die jeweils am Rand 36 eines Teilkegelkörpers angebracht sind. Das Bezugszeichen 40 kennzeichnet die lokale Strömungsrichtung des Arbeitsmittels. Die durch die Wirbelgeneratoren 34 erzeugten Wirbelstrukturen 42 sind jeweils schematisch eingezeichnet. Der Wirbelgenerator von Fig. 4a erzeugt dabei ein Wirbelpaar, das nach innen rotiert, ähnlich wie bei einem Deltaflügel. Der in Fig. 4b gezeigte Wirbelgenerator erzeugt dagegen ein nach außen drehendes Wirbelpaar.In further exemplary embodiments, instead of geometrically simple internals Vortex generators 34 used as internals. Figures 4a-b show two embodiments for vortex generators 34, each on the edge 36 of a partial cone body are attached. The reference numeral 40 denotes the local flow direction of the work equipment. The vortex structures generated by the vortex generators 34 42 are each shown schematically. The vortex generator of Fig. 4a creates a pair of vertebrae that rotate inwards, similar to a delta wing. In contrast, the vortex generator shown in FIG. 4b generates an outward rotating pair of vertebrae.

In einem Ausführungsbeispiel wurden zwanzig Wirbelgeneratoren 34 in den Brenner eingebaut. Zehn der Wirbelgeneratoren wurden wie in Fig. 2 am Brenneraustritt entlang des Umfangs der Teilkegelkörper 1,2 angebracht. Jeweils fünf weitere Wirbelgeneratoren wurden wie in Fig. 3 gezeigt entlang der Brennerschlitze 5a, 6a befestigt. Dabei zeigt der Schnitt von Fig. 3 lediglich einen der beiden Brennerschlitze.In one embodiment, twenty vortex generators 34 were in the burner built-in. Ten of the vortex generators were along the burner outlet as in Fig. 2 the circumference of the partial cone body 1.2 attached. Five further vortex generators each were fixed along the burner slots 5a, 6a as shown in FIG. 3 shows only one of the two burner slots.

Figur 7 zeigt die Ergebnisse einer experimentellen Bestimmung der Druckschwankungen im 100 Hz-Bereich in Abhängigkeit von der Luftzahl λ bei Verwendung eines konventionellen Brenners ("unverändert", volle Quadrate) und eines Brenners mit der beschriebenen Anordnung von Wirbelgeneratoren ("Wirbelgeneratoren", offene Kreise). Die Druckschwankungen sind über einen weiten Bereich λ <2.2 gegenüber einem unveränderten Brenner deutlich reduziert. FIG. 7 shows the results of an experimental determination of the pressure fluctuations in the 100 Hz range depending on the air ratio λ when using a conventional burner ("unchanged", full squares) and a burner with the described arrangement of vortex generators ("vortex generators", open circles). The pressure fluctuations are compared to one over a wide range λ <2.2 unchanged burner significantly reduced.

BezugszeichenlisteReference list

1,21.2
TeilkegelkörperPartial cone body
5,65.6
LufteintrittskanalAir inlet duct
5a,6a5a, 6a
BrennerschlitzeBurner slots
77
VerbrennungsluftCombustion air
88th
Innenrauminner space
9,109.10
zylindrische Anfangsteilecylindrical initial parts
1111
BrennstoffdüseFuel nozzle
1212th
flüssiger Brennstoffliquid fuel
13,1413.14
BrennstoffleitungFuel line
1515
Öffnungenopenings
1616
gasförmiger Brennstoffgaseous fuel
1717th
BrennraumCombustion chamber
1818th
FrontplatteFront panel
1919th
BohrungenHoles
2020th
KühlluftCooling air
2424th
RückströmzoneBackflow zone
2525th
FlammenfrontFlame front
3030th
Strömungflow
3232
EinbautenInternals
3434
WirbelgeneratorVortex generator
3636
KegelköperrandCone twill edge
4040
lokale Strömungsrichtunglocal flow direction
4242
WirbelstrukturVortex structure

Claims (6)

Brenner zum Betrieb eines Aggregats zur Erzeugung eines Heißgases, wobei der Brenner im wesentlichen aus mindestens zwei hohlen, in Richtung der Strömung (30) ineinandergeschachtelten Teilkörpern (1, 2) besteht, deren Mittelachsen zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß benachbarte Wandungen der Teilkörper (1, 2) an den Brennerschlitzen (5a, 6a) tangentiale Lufteintrittskanäle (5, 6) für die Einströmung von Verbrennungsluft (7) in einen von den Teilkörpern (1, 2) vorgegebenen Innenraum (8) bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Brenner zum Einbringen axialer Wirbelstärke in die Strömung (30) eine Mehrzahl von in die Strömung (30) ragende Einbauten (32) aufweist.Burner for operating a unit for generating a hot gas, the burner essentially consisting of at least two hollow part bodies (1, 2) nested one inside the other in the direction of the flow (30), the center axes of which are offset from one another, such that adjacent walls of the part bodies ( 1, 2) form tangential air inlet channels (5, 6) on the burner slots (5a, 6a) for the inflow of combustion air (7) into an interior space (8) specified by the partial bodies (1, 2),
characterized in that
the burner for introducing axial eddy strength into the flow (30) has a plurality of internals (32) projecting into the flow (30). Brenner nach Anspruch 1,
bei dem die Einbauten (32) am Brenneraustritt angeordnet sind.Burner according to claim 1,
in which the internals (32) are arranged at the burner outlet. Brenner nach Anspruch 1,
bei dem die Einbauten (32) am Brenneraustritt und entlang der Brennerschlitze (5a,6a) angeordnet sind.Burner according to claim 1,
in which the internals (32) are arranged at the burner outlet and along the burner slots (5a, 6a). Brenner nach einem der vorigen Ansprüche,
bei dem die Einbauten (32) in einer Sägezahnstruktur ausgebildet sind.Burner according to one of the preceding claims,
in which the internals (32) are formed in a sawtooth structure. Brenner nach einem der vorigen Ansprüche,
bei dem die Einbauten (32) Wirbelgeneratoren (34) sind.Burner according to one of the preceding claims,
in which the internals (32) are vortex generators (34). Brenner nach einem der vorigen Ansprüche,
bei dem die Strömungsinstabilitäten eine dominante Mode aufweisen und die Abstände s benachbarter Einbauelemente (32) kleiner oder etwa gleich der halben Wellenlänge der dominanten Mode sind.Burner according to one of the preceding claims,
in which the flow instabilities have a dominant mode and the distances s between adjacent installation elements (32) are less than or approximately equal to half the wavelength of the dominant mode.
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