Brenner mit Drallschaufel Die Erfindung betrifft einen Brenner und bezieht sich auf die verbesserte Mischung von Brennstoff und Luft.

Der Mischung von Brennstoff und Luft kommt im Verbrennungs- prozess eine zentrale Bedeutung zu. Maßgeblich werden durch die Mischungsqualität die Stickoxid (NO _x ) - und Kohlenmonoxid (CO) -Emissionen, die thermoakustischen Eigenschaften der Flamme sowie die Flammenform und -läge bestimmt.

So bietet eine möglichst homogene Mischung den Vorteil nied- riger NO _x -Emissionen . Weiterhin beeinflusst die Mischung jedoch auch das thermoakustische Verhalten des Brenners. So entstehen in der Brennkammer durch den Verbrennungsprozess verursachte akustische Anregungen. Abhängig von deren Amplitude und Frequenz sowie der Eigenfrequenz der Brennkammer- Struktur, werden diese Schwingungen entweder gedämpft oder verstärkt. Fallen die Frequenzen der thermoakustischen

Schwingungen mit den Eigenfrequenzen der Struktur phasengleich zusammen, entstehen hohe mechanische Schwingungsamplituden, die sich kritisch auf die Lebensdauer der Bauteile auswirken können.

Bei drallstabilisierten Brennern wird der Brennstoff üblicherweise über Eindüsungsbohrungen in den Drallerzeugerschaufeln des Brenners zugegeben und dort mit der warmen Verdichterluft vermischt. Abhängig von Brenngasqualität und Brenngastemperatur sowie vom Durchmesser der Eindüsungsbohrungen dringt der Gasstrahl unterschiedlich tief in die umgebende Verdichterluft ein. Die sich ergebende "Eindring ^¬ tiefe" hat direkten Einfluss auf das radiale Profil der

Brenngas-Luft-Mischung. Je nach Brenngasqualität wird der Bohrungsdurchmesser so ausgelegt, dass eine bestimmte Ein ^¬ dringtiefe und damit ein bestimmtes Mischungsprofil erreicht werden. Dabei ist es üblich, für alle Eindüsungsbohrungen denselben Durchmesser zu verwenden. Dieses Vorgehen ist dem Umstand geschuldet, dass unterschiedliche Bohrungsdurchmesser über den sich ändernden Druckverlust auch eine unterschiedli ^¬ che Aufteilung des Brenngases auf die verschiedenen Bohrungen zur Folge hätte.

Die Qualität der Mischung ist im Wesentlichen von der Eindringtiefe des Gasstrahls in die umgebende Luft abhängig. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner anzugeben, bei dem die Mischungsqualität weiter verbessert ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem Brenner mit einem im Querschnitt im Wesentlichen ringförmigen, im Betrieb von Luft und Brennstoff durchströmten Luftzufuhr- und Vormischkanal , der durch einen Außenmantel und eine Nabe gebildet ist und in dem mehrere

Drallschaufeln angeordnet sind, die sich von der Nabe bis zum Außenmantel in radialer Richtung erstrecken und eine Umlenk- fläche mit einer Abströmkante aufweisen, die Abströmkante mehrfach unterbrochen ist, wobei die Abströmkante einer

Drallschaufel in Strömungsrichtung gestuft ausgeführt ist und die Stufung als Folge von rechteckigen oder dreieckigen Aussparungen ausgeführt ist.

Eine Stufung ist beispielsweise durch Ausstanzen einfach herzustellen und kann beispielsweise als Folge von rechteckigen oder dreieckigen Aussparungen ausgeführt sein. Die mehrfache Unterbrechung der Abströmkante führt zu ver ^¬ gleichsweise kleinskaligen Wirbeln. Diese Wirbel können zur weiteren Mischungsverbesserung genutzt werden, wobei die axiale Wirbelbildung zwischen den Ausströmwirbeln zur geänderten Mischung und Veränderung der Eindringtiefe durch Mitnahmeef- fekte in axialer Schaufelrichtung führt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Brenners weist die Abströmkante einer Drallschaufel Sprünge hinsichtlich eines Abströmwinkels auf. Indem die Strömung durch unterschiedliche "Abströmung" an der Schaufelhinterkante "geleitet" wird, lässt sich die Mischung und Verteilung des Brennstoffes stromab der Schaufel besonders gut einstellen.

Dabei ist es zweckmäßig, weil am einfachsten umzusetzen, wenn die Sprünge alternierend in entgegengesetzte transversale Richtungen erfolgen. Vorteilhafter Weise ist ein Übergang der Umlenkfläche zur Abströmkante hin glatt, so dass eine erste Ableitung einer Oberflächenkrümmung stetig ist. Dadurch wird unerwünschte Wirbelbildung vor der Abströmkante vermieden. In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die

Drallschaufeln BrennstoffÖffnungen auf, wobei eine Anzahl an Unterbrechungen der Abströmkante eine Anzahl an Brennstoff ^¬ öffnungen übersteigt. Da kleinskalige Turbulenzen erzeugt werden sollen, ist es zweckmäßig, wenn Maßnahmen zur Unterbrechung der Abströmkante lediglich im stromabseitigen Drittel der Drallschaufeln vorgesehen sind. Mit der mehrfach unterbrochenen Abströmkante der Drallerzeugerschaufeln ist eine verbesserte bzw. einstellbare Mi ^¬ schung von Brennstoff und Luft erzielbar. Insbesondere lässt sich mit einer solchen Abströmkante das Mischungsfeld im Nachlauf der Schaufel beeinflussen. Dies führt zu niedrigeren Emissionen und verbesserter Verbennungsstabilität.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich: Figur 1 einen Brenner,

Figur 2 eine Drallschaufel nach dem Stand der Technik, Figur 3 eine Drallschaufel mit ausgestanzter Abströmkante nach der Erfindung und Figur 4 eine Drallschaufel mit abwechselnd nach oben oder unten gebogenen Schaufelenden.

Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Seitenan- sieht eines Brenners 1 mit einem im Querschnitt im Wesentli ^¬ chen ringförmigen, im Betrieb von Luft und Brennstoff durchströmten Luftzufuhr- und Vormischkanal 2, der durch einen Außenmantel 3 und eine Nabe 4 gebildet ist und in dem mehrere Drallschaufeln 5, 6, 16 angeordnet sind, die sich von der Na- be 4 bis zum Außenmantel 3 in radialer Richtung erstrecken.

Ein Beispiel einer Drallschaufel 16 nach dem Stand der Tech ^¬ nik ist in Figur 2 gezeigt. Die Drallschaufel 16 ist als Hohlschaufel ausgeführt und weist Umlenkflächen 7 mit einer Abströmkante 8 auf, sowie BrennstoffÖffnungen 13, die über Brennstoffkanäle 17 versorgt werden. Die Abströmkante 8 der Drallschaufel 16 ist im Wesentlichen gerade oder leicht ge ^¬ krümmt . Im Betrieb des Brenners 1 tritt Verdichterendluft in den Luftzufuhr- und Vormischkanal 2 ein und strömt an den

Drallschaufeln 5, 6, 16 vorbei, wodurch der Luftströmung ein Drall aufgeprägt wird. Brennstoff wird über die Brennstoff ^¬ öffnungen 13 der Luftströmung beigemischt. Das Brennstoff- Luftgemisch wird in einer nachgeordneten Verbrennungszone verbrannt .

Figur 3 zeigt eine Drallschaufel 6, bei der die Abströmkante 8 in Strömungsrichtung gestuft ausgeführt ist und zwar als Folge von rechteckigen Aussparungen 12.

Figur 4 zeigt eine Drallschaufel 5, die Sprünge hinsichtlich eines Abströmwinkels 9 aufweist, wobei die Abströmkante 8 der Schaufel 5 alternierend in entgegengesetzte transversale Richtungen 10 gebogen ist. Dabei ist ein Übergang 11 der Umlenkfläche 7 zur Abströmkante 8 hin glatt, so dass eine erste Ableitung einer Oberflächenkrümmung stetig ist. Die Drallschaufeln 5, 6 der Figuren 3 und 4 weisen BrennstoffÖffnungen 13 auf. Dabei übersteigt die Anzahl an Unterbrechungen der Abströmkante 8 die Anzahl an Brennstofföffnun gen 13. Durch die vergleichsweise häufige Unterbrechung der Abströmkante 8 wird eine kleinskalige Turbulenz erzeugt, die die Mischung von Brennstoff und Luft über die Verdrallung hinaus verbessert.

Daher ist es auch völlig ausreichend, wenn die Maßnahmen 14 zur Unterbrechung der Abströmkante 8 lediglich im stromabsei tigen Drittel 15 der Drallschaufeln 5, 6 vorgesehen sind.