KAUFMANN, Peter (Calvinstraße 44, Moers, 47447, DE)
VAN KAMPEN, Jaap (Le Baron de Vexelastraat 18, AR Roermond, NL-6042, NL)
HASE, Matthias (Duisburger Str. 327, Mülheim, 45478, DE)
KAUFMANN, Peter (Calvinstraße 44, Moers, 47447, DE)
VAN KAMPEN, Jaap (Le Baron de Vexelastraat 18, AR Roermond, NL-6042, NL)
Patentansprüche
1. Verfahren zur Stabilisierung von mindestens einer von einer Strahldüse (5) erzeugten Strahlflamme (10) eines
VerbrennungsSystems, worin mit Hilfe einer Pilotbrennstoffduse (6, 20, 21) ein Heißgaswirbel (trapped vortex) (12) erzeugt wird, der den durch die Strahldüse (5) erzeugten Heißgasstrom (13, 15) unterstutzt bzw. die stabile Entstehung des Heißgasstromes (13, 15) gewährleistet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der mit Hilfe der Pilotbrennstoffduse (6, 20, 21) er- zeugte Heißgaswirbel (12), den durch die Strahldüse (5) erzeugten Heißgasrezirkulationsstrom (15) unterstutzt bzw. die stabile Entstehung des Heißgasstromes (13, 15) gewährleistet .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin mehrere Strahldüsen (5) eines Strahlbrenners in einem Ring angeordnet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, worin mit Hilfe von mehreren außerhalb des Ringes angeordneten Pilotbrennstoffdusen (6) Heißgaswirbel (12) erzeugt werden .
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, worin mit Hilfe von mehreren innerhalb des Ringes angeordneten Pilotbrennstoffdusen (6, 20, 21) Heißgaswirbel (12) erzeugt werden, die den von den Strahldüsen (5) erzeugten Heißgasrezirkulationsstrom (15) unterstutzen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Heißgaswirbel (12) die Strahlflamme (10) oder deren Ruckstromung tangiert, wobei zur Unterstützung des Heißgasstroms die Stromungs- πchtung desjenigen Teils des Heißgaswirbels (12), welcher die Strahlflamme (10) oder deren Ruckstromung tangiert, zur Stromungsrichtung der Strahlflamme (10) oder zur Stromungsrichtung deren Ruckstromung zumindest teilweise gleichgerichtet ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin einer mit Hilfe der Pilotbrennstoffduse (6, 20, 21) erzeugten Pilotflamme (11) Brennstoff (8) oder ein Brenn- stoff-Luft-Gemisch (8) so zugeführt wird, dass durch die Brennstoffzufuhrung die Drehrichtung des erzeugten Heißgaswirbels (12) unterstutzt wird oder die Brennstoffzufuhrung der Drehrichtung des erzeugten Heißgaswirbels (12) entgegengerichtet ist.
8. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501), welche mindestens eine Strahldüse (5) und mindestens eine Pilotbrennstoffduse (6, 20, 21) umfasst und in der die Pilotbrennstoffduse (6, 20, 21) so angeordnet ist, dass mit ihrer Hilfe ein Heißgaswirbel (12) erzeugt werden kann, der einen durch die Strahldüse (5) erzeugbaren Heißgasstrom
(13, 15) unterstutzt bzw. die stabile Entstehung des Heißgasstromes (13, 15) gewährleistet.
9. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) nach Anspruch 8, worin mehrere Strahldüsen (5) in Form eines Strahldusenπn- ges ringförmig in Bezug auf eine Mittelachse (16) der Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) angeordnet sind.
10. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) nach Anspruch 9, worin mindestens eine Pilotbrennstoffduse (6) außerhalb des Strahldusenπnges angeordnet ist.
11. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) nach Anspruch 10, worin die Pilotbrennstoffduse (6) in einer Kavitat (9) angeordnet ist.
12. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) nach Anspruch 11, worin die Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) mindestens eine Wand (4) umfasst und die Kavitat (9) in der Wand (4) der Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) angeordnet ist.
13. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) nach Anspruch 11 oder 12, worin sich die Kavitat (9) ringförmig um den Strahldusen- πng herum erstreckt.
14. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, worin mindestens eine Pilotbrennstoffduse (6, 20, 21) innerhalb des Strahldusenrmges angeordnet ist.
15. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) nach Anspruch 14, worin die Pilotbrennstoffduse (6, 20) m einer Tragerplatte (3) der Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) ange ¬ ordnet ist.
16. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) nach Anspruch 14 oder 15, worin die Pilotbrennstoffduse (6, 20, 21) in einer Kavitat (9) angeordnet ist.
17. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, worin mehrere Pilotbrennstoffdusen (6) innerhalb des aus den Strahldüsen (5) gebildeten Strahldusenπnges in Form eines inneren Pilotbrennstoffdusenπnges angeordnet sind.
18. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, worin eine Pilotbrennstoffduse (20, 21) innerhalb des aus den Strahldüsen (5) gebildeten Strahldusenπnges zentral angeordnet ist.
19. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) nach Anspruch 18, worin die zentral angeordnete Pilotbrennstoffduse (20) mit einer Luftzufuhr und mit einer Brennstoffzufuhr verbunden ist.
20. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) nach Anspruch 19, worin die zentral angeordnete Pilotbrennstoffduse (20) eine im Inneren einer Luftduse (26) angeordnete Brennstoffduse (21) umfasst.
21. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, worin weitere Pilotbrennstoffdusen (6) in Form eines Pilot ¬ brennstoffdusenπnges um die zentral angeordnete Pilotbrennstoffduse (20, 21) angeordnet sind.
22. Brenneranordnung (1, 101, 201, 301, 401, 501) nach einem der Ansprüche 8 bis 21, worin die Pilotbrennstoffduse (6, 20, 21) so angeordnet ist, dass die Brennstoffzufuhr die Drehrichtung des erzeug- ten Heißgaswirbels (12) unterstutzt oder dass zur Erzielung einer besseren Durchmischung von Brennstoff und Luft die Brennstoffzufuhr der Drehrichtung des erzeugten Heißgaswir- bels (12) entgegengewirkt. |
Beschreibung
Pilotierung eines Strahlbrenners mit einem „Trapped Vortex" Piloten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabili ¬ sierung einer von einer Strahldüse erzeugten Strahlflamme eines Verbrennungssystems. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Brenneranordnung, welche min- destens eine Strahldüse und mindestens eine Pilotbrennstoff- duse umfasst.
Auf vorgemischten Strahlflammen basierende Verbrennungssysteme bieten gegenüber drallstabilisierten Systemen aufgrund der verteilten Warmefreisetzungszonen und der fehlenden drallmduzierten Wirbel insbesondere aus thermoakustischer Sicht Vorteile. Durch geeignete Wahl des Strahlimpulses lassen sich klemskalige Stromungsstrukturen erzeugen, die akustisch induzierte Warmefreisetzungsfluktuationen dissipieren und somit Druckpulsationen, die für drallstabilisierte Flammen typisch sind, unterdrucken.
Die Strahlflammen werden durch Einmischen heißer rezirkulie- render Gase stabilisiert. Die hierfür notigen Temperaturen der Rezirkulationszone können in Gasturbinen, insbesondere im unteren Teillastbereich, durch die bekannte Ringanordnung der Strahlen mit einer zentralen Rezirkulationszone nicht gewähr ¬ leistet werden. Daher wird zumindest im Teillastbereich eine zusätzliche Pilotierung benotigt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zur Stabilisierung einer von einer Strahldüse erzeugten Strahlflamme eines Verbrennungssystems zur Verfugung zu stellen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Brenneranordnung zur Verfugung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelost. Die zweite Aufgabe wird durch eine Brenneranordnung nach Anspruch 8 gelost. Die abhangigen Ansprüche beinhalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Im Rahmen des erfmdungsgemaßen Verfahrens zur Stabilisierung von mindestens einer von einer Strahldüse erzeugten Strahlflamme eines Verbrennungssystems wird mit Hilfe einer Pilotbrennstoffduse ein Heißgaswirbel (trapped vortex) erzeugt, der den durch die Strahldüse erzeugten Heißgasstrom unterstutzt bzw. die stabile Entstehung des Heißgasstromes gewahrleistet. Das erfmdungsgemaße Pilotierungskonzept basiert auf einem „Trapped Vortex" Piloten. Der Trapped Vortex Pilot ist dabei ein aus Forschung und Entwicklung bekanntes Konzept, bei dem typischerweise in eine Kavitat Brennstoff eingedust wird. Der Brennstoff wird in der Kavitat mit Luft vermischt und wird in der Kavitat auch verbrannt. Dabei bildet sich in der Kavitat ein stabiler Wirbelfluss aus, dessen Strömung zur Stabilisierung einer Flamme verwendet werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Pilotierung der Strahlflammen vorzugsweise in der Brennkammer stattfinden. Der mit Hilfe der Pilotbrennstoffduse erzeugte Heißgaswirbel (trapped vortex) kann den durch die Strahldüse erzeugten Heißgasrezirkulationsstrom vorteilhaft unterstutzen bzw. die stabile Entstehung des Heißgasstromes gewahrleisteten. Vorzugsweise können mehrere Strahldüsen eines Strahlbrenners in Form eines Strahldusenπnges ringförmig in Bezug auf eine Mittelachse der Brennerkammer oder eines Brennkammerelementes angeordnet werden. Dabei kann die Pilotbrennstoffduse so angeordnet werden, dass die durch sie erzeugten Heißgaswirbel die durch die Strahlen der Strahlflammen erzeugte, zentrale Rezirkulationszone unterstutzen bzw. die stabile Entstehung des Heißgasstromes gewährleisten.
Weiterhin können mit Hilfe von mehreren, außerhalb des von den Strahldüsen gebildeten Ringes angeordneten Pilotbrenn- stoffdusen Heißgaswirbel erzeugt werden, die den von den
Strahldüsen erzeugten Herßgasstrom unterstutzen. Zusätzlich oder alternativ dazu können mit Hilfe von, vorteilhafterweise mehreren, innerhalb des von den Strahldüsen gebildeten Ringes angeordneten Pilotbrennstoffdusen Heißgaswirbel erzeugt wer- den, die den von den Strahldüsen erzeugen Heißgasrezirkulati- onsstrom unterstutzen.
Der mit Hilfe der Pilotbrennstoffduse erzeugten Pilotflamme kann Brennstoff oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch so zugeführt werden, dass die Drehrichtung des erzeugten Heißgaswirbels unterstutzt wird oder die Brennstoffzufuhrung der Drehrichtung des erzeugten Heißgaswirbels entgegengerichtet ist. Im Falle, dass die Brennstoffzufuhrung oder die Brennstoff-Luft- Gemisch-Zufuhrung die Drehrichtung des Heißgaswirbels unter- stutzt, können insbesondere die bereits mit Sauerstoff abge- reicherten Verbrennungsgase im Rahmen des Pilotbrenners verwendet werden. Im Falle, dass die Brennstoffzufuhrung oder die Brennstoff-Luft-Gemisch-Zufuhrung der Drehrichtung des Heißgaswirbels entgegengerichtet ist, wird eine verbesserte Durchmischung des Brennstoffes mit der für die Verbrennung erforderlichen Luft erzielt.
Die erfmdungsgemaße Brenneranordnung umfasst mindestens eine Strahldüse und mindestens eine Pilotbrennstoffduse . Die Pilotbrennstoffduse ist in der Brenneranordnung so angeordnet, dass mit ihrer Hilfe ein Heißgaswirbel (trapped vortex) erzeugt werden kann, der einen durch die Strahldüse erzeugba ¬ ren Heißgasstrom unterstutzt bzw. die stabile Entstehung des Heißgasstromes gewährleistet. Vorteilhafterweise können meh- rere Strahldüsen in Form eines Strahldusenringes ringförmig in Bezug auf eine Mittelachse der Brenneranordnung angeordnet sein. In diesem Fall kann mindestens eine Pilotbrennstoffduse außerhalb des Ringes angeordnet sein. Insbesondere kann die Brenneranordnung eine Kavitat umfassen, in der die Pilot- brennstoffduse angeordnet ist.
Die Brenneranordnung kann beispielsweise mindestens eine Wand umfassen, in der die Kavitat angeordnet sein kann. Die Wand
kann insbesondere an die mindestens eine Strahldüse angren ¬ zen. Bei der Wand kann es sich zum Beispiel um die Wand einer Tragerplatte oder eine Brennkammerwand handeln. Selbstverständlich können auch sowohl die Wand einer Tragerplatte als auch eine Brennkammerwand vorhanden sein, in denen Kavitaten angeordnet sind. Vorteilhafterweise kann sich die Kavitat ringförmig um den aus den Strahldüsen gebildeten Ring herum erstrecken.
Weiterhin kann mindestens eine Pilotbrennstoffduse innerhalb des aus den Strahldüsen gebildeten Strahldusenπnges angeordnet sein. In diesem Falle kann die Pilotbrennstoffduse vorteilhafterweise in einer Tragerplatte der Brenneranordnung angeordnet sein. Zudem kann die Pilotbrennstoffduse in einer Kavitat angeordnet sein. Vorteilhafterweise können mehrere
Pilotbrennstoffdusen innerhalb des aus den Strahldüsen gebildeten Strahldusenπnges in Form eines inneren Pilotbrennstoffdusenπnges angeordnet sein. Im Falle, dass die Pilot ¬ brennstoffdusen in einer Kavitat angeordnet sind, kann die Kavitat als geschlossener Ring ausgeführt werden oder aus mehreren Kammern bestehen.
Es kann auch eine Pilotbrennstoffduse innerhalb des aus den Strahldüsen gebildeten Strahldusenπnges zentral angeordnet sein. Die zentral angeordnete Pilotbrennstoffduse kann insbesondere mit einer Luftzufuhr und mit einer Brennstoffzufuhr verbunden sein. Zudem kann die zentral angeordnete Pilot ¬ brennstoffduse eine Luftduse und eine im Inneren der Luftduse angeordnete Brennstoffduse umfassen. Auf diese Weise kann be- reits im Inneren der Pilotbrennstoffduse ein Brennstoff-Luft- Gemisch erzeugt werden. Darüber hinaus können weitere Pilotbrennstoffdusen in Form eines Pilotbrennstoffdusenπnges um die zentral angeordnete Pilotbrennstoffduse angeordnet sein.
Die Pilotbrennstoffduse kann weiterhin so angeordnet sein, dass die Brennstoffzufuhr die Drehrichtung des erzeugten Heißgaswirbels unterstutzt oder dass zur Erzielung einer besseren Durchmischung von Brennstoff und Luft die Brennstoffzu-
fuhr der Drehrichtung des erzeugten Heißgaswirbels entgegenwirkt .
Grundsätzlich können im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle bekannten Trapped Vortex Brennersysteme, zum Beispiel auch doppelkammπge Systeme, verwendet werden. Die Brenn ¬ stoffzufuhrung kann so ausgeführt sein, dass sie die Drehrichtung des Wirbels im „Trapped Vortex" Piloten unterstutzt oder dieser für eine bessere Durchmischung entgegengerichtet ist. In dem Pilotbrenner können so die bereits mit Sauerstoff angereicherten Verbrennungsgase verwendet werden.
In dem Piloten wird sich eine helikale Struktur ausbilden, die dafür sorgt, dass insbesondere zwischen den Strahlen der Strahldüsen Heißgas aus dem Piloten in die Brennkammer gelangt. Im Bereich der Strahlen wird der Pilot mit Frischluft versorgt .
Bei der erfmdungsgemaßen Brenneranordnung kann es sich bei- spielsweise um einen Teil einer Brennkammer oder um ein separates Brennerelement handeln. Die erfmdungsgemaße Brenneranordnung kann auch als Brenner ausgestaltet sein.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausfuhrungsbeispie- len unter Bezugnahme auf die beigefugten Figuren naher beschrieben. Die beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft sein.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Teil einer erfmdungsgemaßen Brenneranordnung.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen
Teil der Tragerplatte einer erfmdungsgemaßen Bren- neranordnung.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil der Tragerplatte einer erfindungsgemaßen Brenneran ¬ ordnung.
Fig. 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer erfindungsgemaßen Brenneranordnung, welche mit einer zentral angeordneten Pilotbrennstoffduse ausgestattet ist.
Fig. 5 zeigt schematisch eine alternative Ausgestaltung der in Figur 4 gezeigten erfindungsgemaßen Brenneranordnung.
Fig. 6 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine weitere Variante eines Teiles einer erfindungsgemaßen Brenneranordnung .
Im Folgenden wird ein erstes Ausfuhrungsbeispiel der vorlie ¬ genden Erfindung anhand der Figur 1 naher erläutert. Die Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer erfindungsgemaßen Brenneranordnung 1. Die Brenneranordnung 1 umfasst ein Gehäuse 2 mit einer Tragerplatte 3 und einer Wand 4. Bei der Tragerplatte 3 kann es sich um ein separates Bauelement oder um einen integralen Bestandteil der Brenneranordnung 1 handeln. In der Tragerplatte 3 befindet sich mindestens eine Strahldüse 5, durch welche ein Brenn- stoff-Luft-Gemisch 7 oder ein Brennstoff 7 in eine Brennkam ¬ mer 14 emgedust wird. Das in die Brennkammer 14 eingeduste Brennstoff-Luft-Gemisch 7 oder ein Brennstoff 7 verbrennt in der Brennkammer 14, wobei eine Strahlflamme 10 entsteht.
Durch den Verbrennungsprozess wird ein Heißgasstrom gebildet, dessen Hauptstromungsπchtung durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 13 gekennzeichnet ist.
In der Wand 4 der Brenneranordnung 1 ist eine Kavitat 9 ausgebildet. Die Kavitat 9 umfasst eine Pilotbrennstoffduse 6, durch welche Brennstoff 8 oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch 8 so in die Kavitat 9 emgedust wird, dass sich in der Kavitat
9 eine Pilotflamme 11 ausbildet und sich um diese Pilotflamme 11 ein stabiler Heißgaswirbel (trapped vortex) 12 bildet. Die Stromungsrichtung des Heißgaswirbels 12 ist dabei so ausgerichtet, dass die Stromungsrichtung des aus der Kavitat 9 in die Brennkammer 14 stromenden Heißgases die Stromungsrichtung des von der Strahldüse erzeugten Heißgasstromes 13 unter ¬ stutzt. Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel wird der Brennstoff 8 oder das Brennstoff-Luft-Gemisch 8 in die Kavitat 9 antiparallel, d. h. m entgegengesetzter Richtung zu dem durch die Strahldüse 5 in die Brennkammer 14 emgedusten
Brennstoff-Luft-Gemisch eingedust. Die Kavitat 9, in der die Pilotbrennstoffduse 6 angeordnet ist, weist eine brennkammer- seitige öffnung 27 und eine der öffnung 27 gegenüberliegende Ruckwand 28 auf, wobei die Pilotbrennstoffduse 6 nahe der Ruckwand 28 so angeordnet ist, dass der in die Kavitat 9 einströmende Brennstoff 8 oder das Brennstoff-Luft-Gemisch 8 nahe der Ruckwand 28 eine Stromungsrichtung aufweist, die der Hauptstromungsπchtung 13 des von der Strahldüse 5 ausgehenden Heißgasstroms 10 entgegengesetzt ist. Der dadurch entste- hende Wirbel 12 fuhrt im Bereich der öffnung 27 dann zu einer Strömung, die parallel, d. h. in gleicher Richtung zur Hauptstromungsπchtung 13 des Heißgasstromes 10 verlauft.
Vorteilhafterweise umfasst die Brenneranordnung 1 mehrere, zu einem Strahldusenπng angeordnete Strahldüsen 5. Die Kavitat 9 kann als kompletter, d. h. umlaufender Ring, der einmal um die Brennkammer 14 herum verlauft, ausgeführt sein und ent ¬ lang des Umfanges mehrere Pilotbrennstoffdusen 6 umfassen. Alternativ dazu kann eine Mehrzahl von einzelnen Kavitaten 9 um den Umfang der im Querschnitt kreisförmigen Brennkammer 14 herum angeordnet sein, sodass sie einen Kavitatenπng bilden. In diesem Fall kann jede einzelne Kavitat mindestens eine Pilotbrennstoffduse 6 umfassen.
Eine alternative Position der Pilotbrennstoffduse 6 in der Kavitat 9, die ebenso wie die Position der Pilotbrennstoff- duse 6 eine die Drehrichtung des Heißgaswirbels 12 unterstutzende Pilotgaseindusung ermöglicht, ist durch die Bezugszif-
fer 6a gekennzeichnet. In diesem Fall strömt der Pilotbrenn- stoff senkrecht zur Ruckwand 28 in die Kavitat 9 ein. Weitere alternative Positionen einer Pilotbrennstoffduse in der Kavitat 9, die eine der Drehrichtung des Heißgaswirbels 12 gegen- laufige Pilotgaseindusung ermöglichen, sind durch die Bezugsziffern 106a und 106b gekennzeichnet. Durch die Pilotbrenn- stoffduse 106a kann der Pilotbrennstoff senkrecht zur Ruckwand 28 in die Kavitat 9 eingedust werden. Durch die Pilotbrennstoffduse 106b kann der Pilotbrennstoff parallel zur Ruckwand 28 in die Kavitat 9 eingedust werden.
Im Folgenden wird ein zweites Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren 2 und 3 naher erläutert. Elemente, die Elementen des ersten Ausfuhrungsbeispieles ent- sprechen, sind mit denselben Bezugsziffern versehen und werden nicht erneut im Detail beschrieben.
Die Figur 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Tragerplatte 3 einer erfindungsgemaßen Brenneranordnung 101. Die Mittelachse der Brenneranordnung 101 ist mit der Bezugsziffer 16 gekennzeichnet. Die Tragerplatte 3 umfasst mehrere, ringförmig um die Mittelachse 16 angeordnete Strahldü ¬ sen 5, von denen lediglich eine Strahldüse 5 in Figur 2 ge ¬ zeigt ist. Der Bereich der Tragerplatte 3 zwischen der Strahldüse 5 und der Mittelachse 16 ist kegelförmig vertieft ausgestaltet. Die Tragerplatte 3 weist also eine zwischen der Strahldüse 5 und der Mittelachse 16 schräg verlaufende Ober ¬ flache auf. Alternativ dazu kann die Tragerplatte auch eben ausgestaltet sein, also eine zwischen der Strahldüse 5 und der Mittelachse 16 senkrecht zur Mittelachse 16 verlaufende Oberflache aufweisen.
Die Tragerplatte 3 umfasst mehrere, zwischen den Strahldüsen 5 und der Mittelachse 16 angeordnete Kavitaten 9. Die Kavita- ten 9 sind vorzugsweise ringförmig um die Mittelachse 16 an ¬ geordnet und bilden so einen inneren Ring. Die Kavitaten 9 können, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausfuhrungsbei- spiel bereits beschrieben worden ist, einen Kavitatenπng
bilden. Alternativ kann auch eine Kavitat 9 vorhanden sein, die als kompletter Ring, der einmal endlos um die Mittelachse 16 herum verlauft, ausgeführt ist.
Jede Kavitat 9 umfasst mindestens eine Pilotbrennstoffduse 6, durch welche Brennstoff 8 oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch 8 in die Kavitat 9 emgedust wird. Der emgeduste Brennstoff 8 oder das Brennstoff-Luft-Gemisch 8 verbrennt in der Kavitat 9 und bildet dort einen um eine Flamme 11 zentrierten Heißgas- Wirbel (trapped vortex) 12 aus. Die Stromungsrichtung des
Heißgaswirbels 12 ist dabei so ausgerichtet, dass derjenige Teil des von der Pilotflamme 11 erzeugten Heißgasstromes, der in die Brennkammer 14 strömt, den Heißgasrezirkulationsstrom 15 in der Brennkammer 14 unterstutzt. Der Heißgasrezirkulati- onsstrom 15 wird durch den Heißgasstrom der von den Strahldüsen 5 erzeugten Strahlflammen hervorgerufen. Der Heißgasrezirkulationsstrom 15 strömt von der Brennkammer 14 kommend im Bereich der Mittelachse 16 auf die Tragerplatte 3 der Bren ¬ neranordnung 101 zu und strömt dann radial von der Mit- telachse 16 weg zu den Strahldüsen 5 hin.
Die in der Figur 2 gezeigten Kavitaten 9 haben einen rechteckigen Querschnitt. Die Pilotbrennstoffdusen 6 sind in den Kavitaten 9 so angeordnet, dass der Brennstoff 8 oder das Brennstoff-Luft-Gemisch 8 in die jeweilige Kavitat 9 antiparallel zu der Stromungsrichtung 15 des an der Oberflache der Tragerplatte 3 vorbeistromenden Heißgasrezirkulationsstroms emgedust wird. Dabei unterstutzt der in der jeweiligen Kavitat 9 entstehende Heißgaswirbel die Stromungsrichtung des Heißgasrezirkulationsstroms 15. Dies wird im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel dadurch erreicht, dass die jeweilige Pilotbrennstoffduse 6 nahe an einer der Austrittsoffnung 27 der Kavitat 9 gegenüberliegenden Ruckwand 28 der Kavitat 9 angeordnet ist. Diese Ruckwand 28 erstreckt sich weitgehend parallel zur der Brennkammer 14 zugewandten Innenwand der
Tragerplatte 3. Die Pilotbrennstoffduse 6 ist so angeordnet, dass der Pilotbrennstoff parallel zur Ruckwand 28 in die Kavitat 9 einströmt.
Eine alternative Position der Pilotbrennstoffduse 6 in der Kavitat 9, die, ebenso wie die Position der Pilotbrennstoff- duse 6, eine die Drehrichtung des Heißgaswirbels 12 unter- stutzende Pilotgaseindusung ermöglicht, ist durch die Bezugsziffer 6a gekennzeichnet. In diesem Fall strömt der Pilot ¬ brennstoff senkrecht zur Ruckwand 28 in die Kavitat 9 ein. Weitere alternative Positionen einer Pilotbrennstoffduse in der Kavitat 9, die eine der Drehrichtung des Heißgaswirbels 12 gegenläufige Pilotgaseindusung ermöglichen, sind durch die Bezugsziffern 106 gekennzeichnet. Durch die Pilotbrennstoff- duse 106 kann der Pilotbrennstoff parallel zur Ruckwand 28 in die Kavitat 9 emgedust werden.
In der Figur 3 ist eine alternative Ausgestaltung der in der Figur 2 gezeigten Tragerplatte 3 im Querschnitt dargestellt. Die in der Figur 3 gezeigte Tragerplatte 3 umfasst anstelle der rechteckig ausgeformten Kavitaten 9 eine Aussparung, die aus einem parallel zur Mittelachse 16 verlaufenden Abschnitt 18 und einem senkrecht zur Mittelachse 16 verlaufenden Abschnitt 19 besteht. Zwischen diesen beiden Abschnitten 18, 19 kann durch entsprechenden Pilotbrennstoffemdusung ebenfalls ein Heißgaswirbel (trapped vortex) erzeugt werden. Die Pilot ¬ brennstoffemdusung kann beispielsweise über eine in dem parallel zur Mittelachse 16 verlaufenden Abschnitt 18 angeordnete Pilotbrennstoffduse 6 erfolgen.
Die in den ersten beiden Ausfuhrungsbeispielen beschriebenen Ausfuhrungsmoglichkeiten der erfmdungsgemaßen Brenneranord- nung können auch miteinander kombiniert werden. In diesem
Fall umfasst die erfindungsgemaße Brenneranordnung sowohl in der Wand 4 des Gehäuses 2 als auch in der Tragerplatte 3 Kavitaten 9, die mit Pilotbrennstoffdusen 6 ausgestattet sind.
Im Folgenden wird ein drittes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren 4 und 5 naher erläutert. Elemente, die Elementen der vorangegangenen Ausfuhrungsbei-
spiele entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern versehen und werden nicht erneut im Detail beschrieben.
Die Figur 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer erfmdungsgemaßen Brenneranordnung 301. Die erfmdungs- gemaße Brenneranordnung 301 umfasst eine Tragerplatte 3. Die Mittelachse der Brenneranordnung 301 ist durch die Bezugsziffer 16 gekennzeichnet. Um die Mittelachse 16 herum sind ringförmig mehrere Strahldüsen 5 angeordnet, die in der Figur 4 jedoch nicht gezeigt sind.
Konzentrisch zur Mittelachse 16 ist eine Kavitat 9 angeordnet, die in einem Schnitt entlang der Mittelachse 16 einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Ebenfalls konzentrisch zur Mittelachse 16 ist in der Kavitat 9 eine Pilotbrennstoffduse 20 angeordnet, durch die ein Brennstoff-Luft-Gemisch 37 oder Luft 37 in die Kavitat 9 und von dort in die Brennkammer 14 emgedust werden kann. Die zentral angeordnete primäre Pilot ¬ brennstoffduse 20 ist ringförmig von weiteren sekundären Pilotbrennstoffdusen 6 umgeben, durch die Brennstoff 8 in die Kavitat 9 emgedust werden kann. Die sekundären Pilotbrenn- stoffdusen 6 weisen einen geringeren Durchmesser als die zentral angeordnete primäre Pilotbrennstoffduse 20 auf.
Die Pilotbrennstoffdusen 6 sind dabei so im Boden der Kavitat 9 angeordnet, dass der Brennstoff 8 parallel zur Mittelachse 16 in die Kavitat 9 emgedust werden kann. Durch das Emdusen des Brennstoffes 8 oder des Brennstoff-Luft-Gemisches 8 durch die Pilotbrennstoffdusen 6 bilden sich in der Kavitat 9 Pilotflammen 11 aus, um die herum sich stabile Heißgaswirbel (trapped vortices) 12 bilden. Diese Heißgaswirbel 12 sind so ausgerichtet, dass ihre Drehrichtung die Stromungsrichtung 17 des in die Kavitat 9 einströmenden Brennstoff-Luft-Gemisches 37 oder der Luft 37 aus der primären Pilotbrennstoffduse 20 unterstutzt. Dies wird dadurch erreicht, dass die sekundären Pilotbrennstoffdusen 6 in der Kavitat 9 nahe der primären Pilotbrennstoffduse 20 angeordnet sind. Die Stromungsrichtung des durch die sekundären Pilotbrennstoffdusen 6 in der Kavi-
tat 9 eingedusten Brennstoffes 8 oder des Brennstoff-Luft-Ge- misches 8 verlauft innerhalb der Kavitat 9 parallel zu der Stromungsrichtung 17 des durch die primäre Pilotbrennstoff- duse 20 in die Kavitat 9 einströmenden Brennstoff-Luft-Gemi- sches 37 oder der Luft 37 bzw. des resultierenden Heißgasstromes .
An der öffnung 27 der Kavitat 9 zur Brennkammer 14 trifft der von der primären Pilotbrennstoffduse 20 verursachte Heißgas- ström 17 auf einen Heißgasrezirkulationsstrom 15, der parallel zur Mittelachse 16 entlang der Mittelachse 16 von der Brennkammer 14 auf die öffnung 27 der Kavitat 9 zuströmt. An der öffnung 27 bzw. nahe der öffnung 27 wird der Heißgasrezirkulationsstrom 15 umgelenkt und strömt dann von der Mit- telachse 16 weg und zurück in die Brennkammer 14. Infolge des Zusammentreffens des Heißgasrezirkulationsstroms 15 mit dem von der primären Pilotbrennstoffduse 20 verursachten Heißgasstrom 17 wird der von der primären Pilotbrennstoffduse 20 verursachte Heißgasstrom 17 so abgelenkt, dass er nach dem Verlassen der Kavitat 9 parallel zu dem Teil des Heißgasrezirkulationsstrom 15, der in die Brennkammer 14 zurückströmt, in die Brennkammer 14 einströmt.
In dem Bereich der öffnung 27 der Kavitat 9 nahe der Mit- telachse 9, wo die beiden Strömungen 15, 17 antiparallel aufeinander treffen, bilden sich Heißgaswirbel 23 aus, deren Drehrichtung so verlauft, dass die Drehrichtung die Stro ¬ mungsrichtung des Heißgasrezirkulationsstroms 15 unterstutzt und dem von der primären Pilotbrennstoffduse 20 verursachten Heißgasstrom 17 entgegengerichtet ist.
Die Stromungsrichtung des durch die sekundären Pilotbrenn- stoffdusen 6 in der Kavitat 9 eingedusten Brennstoffes 8 oder des Brennstoff-Luft-Gemisches 8 verlauft innerhalb der Kavi- tat 9 zunächst parallel zu der Stromungsrichtung 17 des durch die primäre Pilotbrennstoffduse 20 in die Kavitat 9 einströmenden Brennstoff-Luft-Gemisches 37 oder der Luft 37 bzw. des resultierenden Heißgasstromes. Aufgrund der beschriebenen Ab-
lenkung des Heißgasstrom 17 in der Nahe der öffnung 27 wird der durch die sekundären Pilotbrennstoffdusen 6 verursachte Heißgasstrom in der Nahe der öffnung 27 in der Kavitat 9 umgelenkt und es bildet sich so in der Kavitat 9 ein Heißgas- Wirbel 12 aus, dessen Drehrichtung die Stromungsrichtung des von der primären Pilotbrennstoffduse 20 verursachten Heißgas ¬ stroms 17 unterstutzt. Im Bereich des Heißgaswirbels 12 bildet sich eine stabile Flamme 11 aus.
Eine alternative Anordnung der Pilotbrennstoffdusen 6 in der Kavitat 9, die, ebenso wie die Positionen der Pilotbrenn- stoffdusen 6, eine die Drehrichtung des Heißgaswirbels 12 unterstutzende Pilotgaseindusung ermöglicht, ist durch die Bezugsziffer 6a gekennzeichnet. In diesem Fall strömt der Pilotbrennstoff senkrecht zur Mittelachse 16 in die Kavitat 9 ein. Eine weitere alternative Anordnung der Pilotbrennstoff- dusen in der Kavitat 9, die eine der Drehrichtung des Heiß- gaswirbels 12 gegenläufige Pilotgaseindusung ermöglicht, ist durch die Bezugsziffern 106 gekennzeichnet. Durch die Pilot- brennstoffduse 106 kann der Pilotbrennstoff parallel zur Mittelachse 16 in die Kavitat 9 emgedust werden.
Die Figur 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung der in der Figur 4 gezeigten Brenneranordnung 301. Die in der Figur 5 gezeigte Brenneranordnung 401 zeichnet sich im Unterschied zu der m der Figur 4 gezeigten Brenneranordnung 301 dadurch aus, dass die Kavitat 9 einen trapezförmigen, sich zur Brenn ¬ kammer 14 hin weitenden Querschnitt aufweist. In Folge dieser Ausgestaltung bilden sich zusatzlich zu den im Zusammenhang mit der Figur 4 beschriebenen Heißgaswirbeln 12, 23 am äußeren Umfang der Kavitat 9 im Bereich der öffnung 27 der Kavitat 9 zur Brennkammer 14 hin, weitere Heißgaswirbel 24 aus, deren Drehrichtung die Stromungsrichtung 17 des von der Pilotbrennstoffduse 20 erzeugten Heißgasstroms unterstutzt und der Drehrichtung der von den sekundären Pilotbrennstoff- dusen 6 hervorgerufenen Heißgaswirbel 12 entgegengerichtet ist. Alternativ zu dem in der Figur 5 gezeigten Beispiel kann
die Kavitat auch wie in der Figur 3 gezeigt ausgestaltet sein .
Eine alternative Anordnung der Pilotbrennstoffdusen 6 in der Kavitat 9, die, ebenso wie die Positionen der Pilotbrenn- stoffdusen 6, eine die Drehrichtung des Heißgaswirbels 12 unterstutzende Pilotgaseindusung ermöglicht, ist durch die Bezugsziffer 6a gekennzeichnet. In diesem Fall strömt der Pilotbrennstoff senkrecht zur Mittelachse 16 in die Kavitat 9 ein.
Im Unterschied zu den ersten beiden Ausfuhrungsbeispielen weisen die im Rahmen des dritten Ausfuhrungsbeispieles beschriebenen Pilotbrennstoffdusen 20 eine eigene Luftzufuhrung auf. Die im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel beschriebenen Pilotbrennstoffdusenanordnungen zeichnen sich dadurch aus, dass durch die zurückspringende Stufe die Strömung aufreißt und so die Rezirkulation der Hauptstromung 15 in der Brennkammer 14 nicht gestört wird. Außerdem kann sich in den ent- stehenden Ablosegebieten, also im Bereich der Wirbel 12, eine Flamme stabilisieren.
Im Folgenden wird ein viertes Ausfuhrungsbeispiel der vorlie ¬ genden Erfindung anhand der Figur 6 naher erläutert. EIe- mente, die Elementen der vorangegangenen Ausfuhrungsbeispiele entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern versehen und werden nicht erneut im Detail beschrieben.
Die Figur 6 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer erfindungsgemaßen Brenneranordnung 501. Die m der
Figur 6 gezeigte Brenneranordnung 501 umfasst eine Tragerplatte 3. Um die Mittelachse 16 der Tragerplatte 3 sind ringförmig mehrere Strahldüsen angeordnet, die in der Figur 6 jedoch nicht gezeigt sind. Konzentrisch zur Mittelachse 16 befindet sich in der Tragerplatte 3 eine Kavitat 9 mit einem in einem Schnitt entlang der Mittelachse 16 rechteckigen Querschnitt. Die Kavitat 9 umfasst eine konzentrisch zur Mittelachse 16 angeordnete Pilotbrennstoffduse 20.
Die Pilotbrennstoffduse 20 umfasst eine konzentrisch zur Mit ¬ telachse 16 angeordnete Luftduse 26. Im Inneren der Luftduse 26 ist konzentrisch zur Mittelachse 16 eine Brennstoffduse 21 angeordnet. Durch die Brennstoffduse 21 wird Brennstoff 8 oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch 8 in der Pilotbrennstoffduse 20 zunächst mit Luft 22, die durch die Luftduse 26 strömt, vermischt. Anschließend gelangt das auf diese Weise entstandene Brennstoff-Luft-Gemisch in die Kavitat 9.
In der Kavitat 9 verbrennt das Brennstoff-Luft-Gemisch und bildet nahe die Mittelachs 16 an der öffnung 27 der Kavitat 9 Pilotflammen 11 dort aus, wo der im Zusammenhang mit den Figuren 4 und 5 beschriebene Heißgasrezirkulationsstrom 15 antiparallel auf den durch die Pilotbrennstoffduse 20 verursachten Heißgasstrom 17 trifft. Um die Pilotflammen 11 herum bilden sich stabile Heißgaswirbel (trapped vortices) 12, deren Drehrichtung die die Stromungsrichtung des Heißgasre- zirkulationsstroms 15 in der Brennkammer 14 unterstutzt und der Hauptstromungsπchtung 17 des durch die Pilotbrennstoff- duse 20 hervorgerufenen Heißgasstromes entgegengerichtet ist. Auch die Hauptstromungsπchtung 17 des durch die Pilotbrenn- stoffduse 20 hervorgerufenen Heißgasstromes unterstutzt den Heißgasrezirkulationsstrom 15. Weiterhin bilden sich in den radial äußeren Ecken der Kavitat 9 an der der öffnung 27 gegenüber liegenden Seite der Kavitat 9 weitere Heißgaswirbel 25 aus, deren Drehrichtungen den von der Pilotbrennstoffduse 20 kommenden Heißgasstrom 17 unterstutzen. Auf diese Weise fordern auch diese Heißgaswirbel 25 mittelbar den Heißgasre- Zirkulationsstrom 15 in der Brennkammer 14.
Das in der Figur 6 gezeigte Ausfuhrungsbeispiel basiert darauf, dass zwei Strömungen aufeinander treffen, wobei das sich ausbildende Gebiet mit niedrigen Stromungsgeschwindigkeiten mit Brennstoff versorgt wird. In diesem Bereich kann sich dann eine Flamme 11 stabilisieren.
Grundsatzlich lassen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Stabilisierung der Flamme eines Strahlbrenners alle bekannten „Trapped Vortex" Brennersysteme verwenden.