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EP1199516B1 - Brenner - Google Patents

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Publication number
EP1199516B1
EP1199516B1 EP01123615A EP01123615A EP1199516B1 EP 1199516 B1 EP1199516 B1 EP 1199516B1 EP 01123615 A EP01123615 A EP 01123615A EP 01123615 A EP01123615 A EP 01123615A EP 1199516 B1 EP1199516 B1 EP 1199516B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
central
swirl generator
combustion
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP01123615A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1199516A1 (de
Inventor
Rolf Dr. Dittmann
Christian Dr. Steinbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1199516A1 publication Critical patent/EP1199516A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1199516B1 publication Critical patent/EP1199516B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/008Flow control devices
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D14/00Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00013Reducing thermo-acoustic vibrations by active means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention describes a method for operating a burner according to the preamble of claim 1. It further describes a burner which is suitable for carrying out the method.
  • EP 0 321 809, EP 0 780 629, WO 9317279 and EP 0 945 677 have disclosed premix burners in which a combustion air flow is introduced tangentially into a burner interior via a swirl generator and mixed with fuel at the burner outlet the resulting vortex flow at a cross-sectional jump, whereby a remindströmzone is induced, which serves to stabilize a flame during operation of the burner.
  • the axial position of the self-adjusting remindströmzone is crucial for the stabilization of the flame, and in turn is essentially determined by the axial flow in the center of the burner. If this axial flow is too weak, the recirculation area and therefore the flame migrate into the burner interior. There is a risk of backflushing the Flame and successive overheating of the burner. If, conversely, the axial flow is too strong, the backflow zone can become detached from the burner outlet and become unstable. The result can be severe harmful combustion pulsations or even extinguishment of the flame.
  • the invention aims to remedy this situation.
  • the invention as characterized in the claims, the object underlying the invention to provide a method of the type mentioned, which avoids the disadvantages of the prior art. Furthermore, a burner is to be specified, which is suitable for carrying out the method.
  • the core of the invention is therefore to adapt the axial momentum of the central flow to the thermal burner load. This makes it possible to specifically influence the position and intensity of the backflow zone.
  • the centrally introduced amount of air is reduced at low burner load in such a way that the return flow zone forms very close to the burner or even partially even in the burner interior, resulting in a superior flame stability results.
  • the flame itself is inherently more stable.
  • the centrally introduced amount of air is increased, such that the backflow zone reliably a Route downstream of the Brenner estuary comes to rest. Thermal overload of the burner is thereby avoided.
  • the invention is preferably carried out using premix burners which are well-known and familiar to those skilled in the art as such from the cited prior art.
  • the invention can be readily combined with all of the publications cited therein, and further developed from these writings, known in the art, swirl generator and burner designs, which are reflected by the specified in the device sub-claims preferred variants only incompletely.
  • variable central geometry in conjunction with the familiar to the expert operating concepts for gas turbines with premix burners continues to ensure a low-emission and at the same time stable, pulsation-free operation.
  • a variation of the conditions on individual burners can finally be used selectively in order to prevent acoustic resonances in the combustion chamber by detuning individual burners.
  • FIG. 1 shows a premix burner suitable for implementing the method according to the invention, as has become known per se from EP 0 321 809.
  • the burner essentially consists of a swirl generator 100 for a combustion air stream, which is formed from two conical partial bodies 101, 102.
  • a swirl generator 100 for a combustion air stream which is formed from two conical partial bodies 101, 102.
  • FIG. 2 it can be seen that the partial bodies 101 and 102 with their axes 101a and 102a are offset relative to the burner axis 100a as well as mutually offset laterally. Due to this lateral offset of the partial bodies, tangential inlet slots 121 are formed between the partial bodies. Through the tangential inlet slots 121, a combustion air flow 141 flows substantially tangentially into the interior 122 of the swirl generator.
  • Fig. 3 is the completely analogous structure with, for example shown four swirler-part bodies 101, 102, 103 and 104, with the staggered axes 101 a, 102 a, 103 a, 104 a of the partial body.
  • a swirl flow 144 is formed inwardly of the swirl generator, the axial flow component of which faces toward a downstream orifice of the swirl generator.
  • the body parts 101, 102 adjoin a front plate 108 at a downstream end of the swirl generator.
  • the front plate 108 usually forms the end wall of a combustion chamber 50, and is often cooled in a manner not shown in the figure and not essential to the invention.
  • the interior 122 of the swirl generator has substantially the shape of a truncated cone extending from an upstream to a downstream end of the swirl generator or burner.
  • the axial flow cross-section formed in this way has a sudden cross-sectional widening at a downstream end, at the mouth into the combustion chamber 50. Due to the jump in the cross section, the vortex flow 144 bursts open and a return flow zone 123 forms in the region of the burner mouth.
  • the combustion air flow is supplied with a suitable amount of fuel.
  • fuel lines 111 are arranged along the part bodies in the axial direction of the swirl generator, in the region of the tangential inlet slots 121. In the exemplary embodiment, rows of fuel outlet holes 1111 can be seen.
  • a fuel quantity 142 is supplied via the fuel lines 111, and flows via the fuel outlet openings 1111 into the interior 122 of the swirl generator 100.
  • This type of fuel admixture is frequently and preferably used with gaseous fuels.
  • In the interior of the swirl generator there is an intensive mixing of the amount of fuel 142 with the tangentially incoming combustion air 141.
  • At the outlet from the burner into the combustion chamber 50 in the swirl flow 144 is a very homogeneous mixture of air and fuel. In the region of the return flow zone 123, a flame from the premixed air-fuel mixture can stabilize.
  • Vortex Breakdown the purely aerodynamic flame stabilization by the bursting of the vortex flow 144
  • Vortex Breakdown By dispensing with mechanical flame holders, no mechanical components come into contact with the flame per se. The dreaded failure of mechanical flame holders due to overheating with possibly subsequent serious accidents of machine sets is thus excluded. Furthermore, the flame loses no heat except on cold walls due to radiation. This also contributes to the uniformity of the flame temperature and thus low pollutant emissions and good combustion stability.
  • a decisive factor for the operating behavior of such a burner, as indicated in the figure, is the position of the return flow zone 123.
  • a flip-flop effect of the flame can oscillate between two combustion modes inside and outside the burner. Furthermore, a spatially larger combustion zone is desired for a high load.
  • a smaller swirl number of the swirling flow 144 is desirable and feasible, but this restricts the operating range to small loads.
  • the flow parameters of the combustion air flow which are to be given constructively must always be a compromise, not least because of the fact that, for example, when used in gas turbines, the inflow conditions of the combustion air to the burner with respect to the mass flow, the temperature and the pressure vary greatly anyway difficult to create a defined combustion air flow.
  • an axial central flow 145 is introduced into the center of the burner along the burner axis, respectively the swirler axis 100a. To adapt to the operating conditions, the central flow is variable.
  • the injection device shown here consists of a Naturalström stresses 1121.
  • the bottom 1124 has.
  • the bottom 1124 has an opening 1125 whose diameter is smaller than the inner diameter of the cylinder bore.
  • the throughflow body 1121 ends flush with the open side at an upstream, ie upstream end of the burner or the swirl generator 100, while the bottom 1124 points with its opening to the interior 122 of the burner.
  • the axial central flow 145 can be controlled and thus the position and intensity the remindströmzone 123 are changed. This makes it possible, the Adjust the intensity of the central flow to the operating conditions of the burner.
  • the stable and safe operating range of the burner is thus significantly expanded again.
  • the axial central flow is comparatively strongly throttled at low loads, such that the return flow zone comes to lie close to the burner mouth.
  • the thermal load of the burner increases, which can be expressed, for example, by an increasing fuel supply to the burner, the axial flow is released more, whereby the return flow zone is further driven away from the burner mouth.
  • liquid fuel or so-called pilot gas for the fuel gas operation of the burner is introduced into the combustion air flow in the lowest part-load range via such a central nozzle; it can also be combined.
  • the centrally introduced fuel 146 is supplied to the fuel nozzle 113 via a fuel line 1131.
  • a fuel cone 147 Shown in the exemplary embodiment in FIG. 4 is a fuel cone 147, for example a liquid fuel spray, which extends from the central fuel nozzle 113 in the interior 122 of the swirl generator, and further downstream mixed successively with the swirl flow 144.
  • a fuel cone 147 for example a liquid fuel spray
  • the central fuel supply can be used, on the one hand to supply the above-mentioned so-called pilot gas.
  • burners it is known to carry out such burners as dual-fuel burners which can be operated with both gaseous and liquid fuels; in this case a central liquid fuel nozzle is used in practice.
  • both liquid fuel nozzles and pilot gas supplies in the head area of a burner.
  • in the head region of the burner often find still nozzles for water or steam injection, which is often used to achieve a further reduction of nitrogen oxide emissions in the oil or pilot gas operation of the burner. In such cases, there are sometimes very cramped spaces in the head area of the burner, which make it impossible to use a central air supply of the type shown in FIG. 1 in the first preferred embodiment.
  • FIG. 5 Fuel line 1131 with the fuel nozzle 113, a substantially annular flow body 1121 is arranged.
  • the fürström stresses 1121 is provided with a number of inner control bores, and arranged concentrically in an outer body 1126.
  • the outer body 1126 is provided with a number of outer control bores 1127, wherein each outer control bore 1127 of the outer body 1126 is associated with an inner control bore 1128 of the fürström stressess 1121.
  • the central flow flows through pairs of control bores into the annular gap formed between the fuel line 1131 or the fuel nozzle 113 and the flow-through body 1121, and from there axially into the interior 122 of the swirl generator.
  • the outer body 1126 and the modifiability 1121 are relative to each other rotatable and / or arranged axially displaceable.
  • the degree of overlap of inner control bores 1128 and outer control bores 1127 thus thus the flow area and the mass flow of the central flow 145, can be varied.
  • FIG. 1 Another exemplary burner is shown in FIG.
  • the burner 1 is arranged on a combustion chamber 20, for example a gas turbine, and opens into a combustion chamber 50. Air flows from a compressor, not shown, into an air chamber 60, which is enclosed by a housing 4. Within the housing 4, a burner hood 5 is arranged, which in turn encloses the burner 1. Within the burner hood a plenum 55 is formed which is in fluid communication with the air chamber 60. A combustion air flow 141 flows from the air chamber 60 into the plenum 55, and from there through tangential inlet slots into the interior of the burner 1, where this air in the manner described above forms a swirling flow and is mixed with fuel.
  • the burner is provided with a central injection device 112 in the manner described above.
  • the central injection device is connected to a central air supply line 1129.
  • the air chamber 60 is provided with a bypass line 61.
  • the bypass line 61 and the central air supply line 1129 are connected to one another such that a central air flow 145 can flow from the bypass line 61 to the central air supply line 1129.
  • an adjustable throttle member 62 is arranged as an actuator for the central air flow 145.
  • the central air flow can also be varied as described above and adapted to the load conditions of the burner.
  • the exemplary embodiment shown here requires, on the one hand, an increased amount of equipment, since a line system has to be arranged; in return, the mechanically comparatively sensitive actuator can be arranged at a suitable and less thermally stressed point.
  • FIG. 7 A special embodiment of the central air supply with actuator is shown in Fig. 7. Both the air bypass 61 and the central air supply line 1129 open into an overflow 63. Within the overflow a throttle valve 64 is arranged. This is rotatably mounted about an axis, as indicated by the arrow in the drawing. By rotating the throttle flap 64, the free flow cross section of the overflow space can be changed, resulting in a variation of the central air flow 145 results.
  • Premix burners are familiar to the person skilled in various designs, which differ from the burners shown in FIGS. 1, 4, 6 and 7, which essentially consist of a conical swirl generator, in the concrete embodiment. However, all these burners are based on a common principle: they have a swirl generator in the form of a hollow body with a longitudinal extent, which encloses a swirl generator interior. The swirl generator further has inlet slots extending in the direction of the swirl generator longitudinal axis or inlet openings arranged in the direction of the longitudinal axis, whose flow cross-section essentially defines a tangential flow direction.
  • combustion air flows with a strong tangential velocity component in the swirler interior, where it forms a swirl flow with a certain to Brennermündung directed into the combustion chamber axial component.
  • the axial flow cross section of the swirl generator interior is widened toward the burner mouth.
  • This design is favorable in order to achieve a constant swirl number of the swirl flow in the direction of the swirl generator axis increasing combustion air mass flow in the swirl generator interior.
  • these burners have means for introducing fuel into the combustion air flow, which mixes as homogeneously as possible with the twisted combustion air in the swirl generator and in a mixing zone, for example a mixing tube, to be arranged downstream of the swirl generator.
  • the actual mixing tube 230 is arranged.
  • the mixing tube if necessary, it comes to a further homogenization of the mixing of combustion air and fuel. Due to the uniform provision of an ignitable mixture over the Throughout the flow cross-section of the mixing tube, there is the danger that a flame ignites back into the mixing tube along the low-impulse wall boundary layers. Therefore, the mixing tube is provided with running at an acute angle to the burner axis wall film holes 231. About this flows an amount of air 150 in the mixing tube, where it forms a wall film.
  • the mixing tube 230 has at the mouth into the combustion chamber 50 via a tear-off edge 232, which also stabilizes the shape and position of forming at the burner mouth scrubströmzone 123.
  • the mixing tube is fastened to a front segment 108 that simultaneously forms a combustion chamber wall, which in this example is impact-cooled by impact cooling plates 109 and impingement cooling air 149.
  • a front segment 108 that simultaneously forms a combustion chamber wall, which in this example is impact-cooled by impact cooling plates 109 and impingement cooling air 149.
  • the burner shown in FIG. 8 is also equipped with a controllable injection device (not shown in detail) for an axial central flow 145, which acts as in the exemplary embodiments described above.
  • a controllable injection device for an axial central flow 145, which acts as in the exemplary embodiments described above.
  • this can also be combined here with a central fuel nozzle.
  • WO 93/17279 and EP 0 945 677 likewise disclose burners which have cylindrical swirl generators with tangential combustion air inlets.
  • a displacement body tapering towards the burner mouth inside a cylindrical swirl generator.
  • a swirl generator inner body can continue the above-mentioned favorable criteria for the axial flow cross-section of the swirl generator, namely, that the axial flow cross-section in axial Flow direction increases, are met.
  • FIGS. 9 and 10 The first embodiment in Figure 9 shows the principle of such a burner. The operation is well known and explained in principle in connection with Figure 1; Notwithstanding the embodiment of a burner according to the invention shown in FIG. 1, however, the embodiment shown in FIG.
  • the injection device 112 for axial central flow 145 is expediently arranged in the region of the downstream end of this displacement body.
  • the inflow to the injection device 112 can be advantageously arranged in the interior of the displacement body; There is also room for the invention to be arranged on the burner control means.
  • central fuel injections can of course be arranged here without problems, if required.
  • Fig. 10 shows in more detail such an embodiment of the burner as described in detail in the basic form in EP 0 945 677.
  • the displacement body 105 is hollow and formed bluntly at its end facing the combustion chamber 50.
  • the axial central flow injection device 112 is disposed within the hollow displacement body 105 open to the upstream upstream side of the burner.
  • the mass flow of the axial flow 145 can be changed by means of an axially displaceable central body 1122 with a control cone 1123.
  • the actual control mechanism with the cone for reasons of space in the upstream part of the displacement body interior is arranged.
  • a chamber is arranged inside. To this chamber passes through the hollow displacement body through a fuel line 1131 through which the chamber, a fuel amount 146 is supplied.
  • This fuel can flow into the twisted combustion air stream 144 as centrally injected fuel via outlet openings 113 acting as a central fuel nozzle.
  • the position of the remindströmzone 123 can be adapted to the respective operating conditions of the burner.
  • embodiments of the fuel injection and the injection of the axial central flow are also possible, in which the fuel along the burner axis 100a is introduced, and the injection device for the central flow is arranged annularly, approximately analogous to the embodiments shown in Figures 4 and 5.
  • the burner can be provided with a cylindrical swirl generator with a swirl generator downstream mixing section, without departing from the spirit.
  • a swirl generator with a central displacement body also makes it possible to make the swirl generator itself convergent to the mouth, and nevertheless to make the axial Diurchströmquerrough the swirler interior divergent.
  • This variant, shown in FIG. 11, permits a course of the transverse velocity component of the swirl flow 144 directed toward the burner axis 100a.
  • the central body 105 can advantageously be provided with an injection device 112 for introducing a controllable axial central flow.
  • Swirl generators with tangential combustion air inlets can be constructed in different ways.
  • monolithic constructions with inlet openings are also possible.
  • Such an embodiment is shown in cross-section in FIG.
  • the swirl generator is constructed from a hollow cylindrical monolith.
  • inlet openings 121 are incorporated in the form of axially and tangentially extending slots through which a combustion air stream 141 flows tangentially into the swirl generator interior 122.
  • fuel feeds 111 are in the form of axially extending, in the region of Inlet openings arranged to detect bores, which have outlet bores 1111, via which a fuel quantity 142 can flow into the combustion air flow 141.
  • FIG. 13 shows a conical swirl generator 100 made of a monolithic hollow body. Of course, this could also be cylindrical.
  • tangential openings such as holes, incorporated, which also serve as tangential inlet openings 121 for a combustion air flow 141.
  • a first, easy-to-use operation is shown.
  • the burner 1 is operated with a fuel amount 142.
  • the mass flow of this fuel is determined at a measuring point 2.
  • the resulting mass flow signal X ⁇ is processed in a control unit 3, and converted into a control signal Y for the adjustment mechanism of the axial Monufteindüsung the burner 1.
  • a second embodiment shown in FIG. 15 relates to the inventive use of a burner described above in gas turbine plants.
  • a compressor 10, a turbine 30, and a generator 40 are arranged on a common shaft.
  • the compressor 10 is equipped with an adjustable Vorleit Herbert 11.
  • a combustion chamber 20 is arranged in the flow path of a working medium between the compressor 10 and the turbine 30, arranged.
  • the combustion chamber 20 is operated with at least one burner 1. From a control unit 3, a control signal Y is guided to the adjustable device for injection of the axial central flow.
  • the control unit 3 receives a power signal X P , signals X AMB of sensors, not shown, which ambient conditions - temperature, humidity, pressure and other - determine the ambient air, and a signal X VLE , which reproduces the position of Vorleit Herbert 11.
  • a whole series of other, machine-operationally relevant data can be led to the control unit 3;
  • the generator power signal could be replaced by fuel mass flow signals. From these quantities, the control unit 3 is able to form a combustion air-specific burner load and to determine the control signal Y therefrom.
  • FIG. 16 again shows a gas turbine group with a compressor 10, a turbine 30, and a generator 40 arranged on a common shaft.
  • the combustion chamber 20 is shown as an annular combustion chamber, in longitudinal section, which is operated with at least one burner 1.
  • the burner 1 is provided with a temperature measuring point for determining the material temperature, which generates a temperature signal X T.
  • the combustion chamber 20 is provided with a pulsation measuring device for determining the combustion pressure fluctuations, which generates a pulsation signal X pulse .
  • the signals X T and X pulse are fed to a control unit 3, which generates a control signal Y for controlling the intensity of the axial central flow.
  • the centrally injected mass flow is increased, thus the flame is expelled a bit from the burner mouth, which reduces the heat load of the burner. On the other hand, this can lead to an undesirable reduction in flame stability. This is detected by the Pulsationsmessstelle.
  • the centrally injected mass flow can be reduced to increase the combustion stability and counteract the increase of the combustion pressure fluctuations. In this way, the central injection can be regulated as a function of measured relevant data.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Gas Burners (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie beschreibt weiterhin einen Brenner, welcher zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
  • Stand der Technik
  • Aus der EP 0 321 809, aus der EP 0 780 629, aus der WO 9317279, sowie aus der EP 0 945 677 sind Vormischbrenner bekanntgeworden, bei denen ein Verbrennungsluftstrom über einen Drallerzeuger tangential in einen Brennerinnenraum eingebracht und mit Brennstoff vermischt wird am Brenneraustritt platzt die entstehende Wirbelströmung an einem Querschnittssprung auf, wodurch eine Rückströmzone induziert wird, welche im Betrieb des Brenners zur Stabilisierung einer Flamme dient.
  • Die axiale Lage der sich einstellenden Rückströmzone ist von entscheidender Bedeutung für die Stabilisierung der Flamme, und wird ihrerseits wesentlich durch die axiale Strömung im Zentrum des Brenner bestimmt. Ist diese axiale Strömung zu schwach, so wandert das Rezirkulationsgebiet und mithin die Flamme ins Brennerinnere. Dabei besteht die Gefahr des Rückzündens der Flamme und sukzessive der Überhitzung des Brenners. Ist umgekehrt die axiale Strömung zu stark, kann die Rückströmzone vom Brenneraustritt ablösen und instabil werden. Die Folge können starke schädliche Verbrennungspulsationen oder gar ein Verlöschen der Flamme sein.
  • In der DE 195 27 453 ist ein Brenner für einen Wärmeerzeuger bekannt geworden, welcher eine Variation einer axialen Luftströmung ermöglicht, mittels welcher die Lage der Rückströmenzone der Einfluss war ist. Aus diesem Dokument ist es auch bekannt, die axialen Luftströmung in Abhängigkeit von gemessenen Verbrennungspulsationen einzustellen. Dieses Betriebsverfahren erfordert aber eine potenziell störungsanfällige Messung der Verbrennungspulsationen. Weiterhin kann dieses Betriebsverfahren dazu führen, dass die Flamme zu nahe an den Brenner gelegt wird, so, dass es zu einer Überhitzung des Brenners kommt.
  • Darstellung der Erfindung
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Weiterhin soll ein Brenner angegeben werden, welcher zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
  • Die Aufgabe wird mit dem in Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren gelöst.
  • Kern der Erfindung ist also, den Axialimpuls der Zentralströmung an die thermische Brennerbelastung anzupassen. Dies ermöglicht es, Lage und Intensität der Rückströmzone gezielt zu beeinflussen. In besonders vorteilhafter Weise wird bei geringer Brennerlast die zentral eingebrachte Luftmenge verringert dergestalt, dass die Rückströmzone sich sehr nahe an der Brennermündung oder teilweise sogar noch im Brennerinnenraum ausbildet, woraus eine überlegene Flammenstabilität resultiert. Bei hoher Last und hohen Flammentemperaturen hingegen ist der Flame an sich bereits eine höhere Stabilität inhärent. Hier wird die zentral eingebrachte Luftmenge vergrössert, dergestalt, dass die Rückströmzone zuverlässig eine Strecke stromab der Brennermündung zu liegen kommt. Eine thermische Überlastung des Brenners wird dadurch vermieden.
  • Die Erfindung wird bevorzugt unter Verwendung von Vormischbrennern, welche aus dem eingangs zitierten Stand der Technik dem Fachmann als solche wohlbekannt und geläufig sind, ausgeführt. Die Erfindung kann ohne weiteres mit allen in den dort zitierten Schriften offenbarten, und den aus diesen Schriften weitergebildeten, an sich dem Fachmann geläufigen, Drallerzeuger- und Brennerbauarten, kombiniert werden, welche durch die in den Vorrichtungs-Unteransprüchen angegebenen Vorzugsvarianten nur unvollständig reflektiert werden.
  • Eine Weiterbildung des erfindungsgemässen Betriebsverfahrens ergibt sich beim vorteilhaften Betrieb in den Brennkammern von Gasturbinen. Hier dient die variable Zentralgeometrie in Verbindung mit den dem Fachmann geläufigen Betriebskonzepten für Gasturbinen mit Vormischbrennern weiterhin dazu, einen schadstoffarmen und gleichzeitig stabilen, pulsationsfreien Betrieb zu gewährleisten. Eine Variation der Bedingungen an einzelnen Brennern kann schliesslich gezielt eingesetzt werden, um akustische Resonanzen in der Brennkammer durch ein Verstimmen einzelner Brenner zu unterbinden.
  • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • In Fig. 1 ist ein zur Umsetzung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneter Vormischbrenner dargestellt, wie er an sich aus der EP 0 321 809 bekanntgeworden ist. Der Brenner besteht im wesentlichen aus einem Drallerzeuger 100 für einen Verbrennungsluftstrom, welcher aus zwei kegelförmigen Teilkörpern 101, 102 gebildet ist. In dem in der Fig. 2 dargestellten Querschnitt ist erkennbar, dass die Teilkörper 101 und 102 mit ihren Achsen 101a und 102a gegenüber der Brennerachse 100a wie auch gegenseitig lateral versetzt angeordnet sind. Aufgrund dieses lateralen Versatzes der Teilkörper sind zwischen den Teilkörpern tangentiale Einlassschlitze 121 ausgebildet. Durch die tangentialen Einlassschlitze 121 strömt ein Verbrennungsluftstrom 141 im wesentlichen tangential in den Innenraum 122 des Drallerzeugers ein. Es ist selbstverständlich auch möglich, einen derartigen Drallerzeuger mit einer anderen Anzahl von Teilkörpern auszuführen; in Fig. 3 ist der vollkommen analoge Aufbau mit beispielsweise vier Drallerzeuger-Teilkörpern 101, 102, 103 und 104 dargestellt, mit den gegeneinander versetzten Achsen 101 a, 102a, 103a, 104a der Teilkörper. Wieder mit Bezug auf Figur 1 bildet sich im Inneren des Drallerzeugers in Folge eine Drallströmung 144 aus, deren axiale Strömungskomponente zu einer stromabwärtigen Mündung des Drallerzeugers hin weist. Die Teilkörper 101, 102 grenzen an einem stromabwärtigen Ende des Drallerzeugers an eine Frontplatte 108. Die Frontplatte 108 bildet üblicherweise die Stirnwand eines Brennraumes 50 aus, und ist häufig auf in der Figur nicht dargestellte und auch nicht erfindungswesentliche Weise gekühlt. Der Innenraum 122 des Drallerzeugers weist im wesentlichen die Form eines sich von einem stromaufwärtigen zu einem stromabwärtigen Ende des Drallerzeugers respektive Brenners erweiternden Kegelstumpfes auf. Der so gebildete axiale Strömungsquerschnitt weist an einem stromabwärtigen Ende, an der Mündung in den Brennraum 50, eine sprunghafte Querschnittserweiterung auf. Durch den Querschnittssprung kommt es zum Aufplatzen der Wirbelströmung 144, und zur Ausbildung einer Rückströmzone 123 im Bereich der Brennermündung. Im Drallerzeuger wird der Verbrennungsluftströmung auf geeignete Weise eine Brennstoffmenge zugeführt. Im Ausführungsbeispiel sind in axialer Richtung des Drallerzeugers, im Bereich der tangentialen Einlassschlitze 121, Brennstoffleitungen 111 entlang der Teilkörper angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind Reihen von Brennstoff-Austrittsbohrungen 1111 zu erkennen. Eine Brennstoffmenge 142 wird über die Brennstoffleitungen 111 herangeführt, und strömt über die Brennstoffaustrittsöffnungen 1111 in den Innenraum 122 des Drallerzeugers 100. Diese Art der Brennstoffzumischung findet häufig und bevorzugt mit gasförmigen Brennstoffen Verwendung. Im Innenraum des Drallerzeugers kommt es zu einer intensiven Vermischung der Brennstoffmenge 142 mit der tangential einströmenden Verbrennungsluft 141. Am Austritt aus dem Brenner in den Brennraum 50 liegt in der Drallströmung 144 ein sehr homogenes Gemisch von Luft und Brennstoff vor. Im Bereich der Rückströmzone 123 kann sich eine Flamme aus dem vorgemischten Luft-Brennstoffgemisch stabilisieren. Aufgrund der guten Vormischung von Luft und Brennstoff kann diese Flamme unter Vermeidung stöchiometrischer Zonen mit der Ausbildung von "Hot Spots" mit einem recht hohen Luftüberschuss - in der Regel findet man am Brenner selbst Luftzahlen von zwei und darüber- betrieben werden. Aufgrund dieser vergleichsweise kühlen Verbrennungstemperaturen können mit derartigen Brennern sehr geringe Stickoxidemissionen ohne aufwendige Abgasnachbehandlung erreicht werden. Aufgrund der guten Vormischung des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft und einer guten Flammenstabilisierung durch die Rückströmzone kommt es weiterhin trotz der geringen Verbrennungstemperaturen zu einem guten Ausbrand und damit auch geringen Emissionen an teil- und unverbranntem, insbesondere also Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, aber auch anderen unerwünschten organischen Verbindungen. Weiterhin erweist sich die rein aerodynamische Flammenstabilisierung durch das Aufplatzen der Wirbelströmung 144 ("Vortex Breakdown") als vorteilhaft. Durch den Verzicht auf mechanische Flammenhalter kommen an sich keine mechanischen Bauteile in Berührung mit der Flamme. Das gefürchtete Versagen mechanischer Flammenhalter aufgrund von Überhitzung mit eventuell nachfolgenden schwerwiegenden Havarien von Maschinensätzen ist somit ausgeschlossen. Weiterhin verliert die Flamme ausser durch Strahlung keine Wärme an kalte Wände. Dies trägt zusätzlich zur Vergleichmässigung der Flammentemperatur und somit geringen Schadstoffemissionen und guter Verbrennungsstabilität bei. Ein entscheidender Faktor für das Betriebsverhalten eines solchen Brenners, wie er in der Figur angegeben ist, ist die Lage der Rückströmzone 123. Diese wiederum wird wesentlich durch die Drallzahl, grob gesagt, das Verhältnis der Umfangskomponente zur Axialkomponente der Wirbelströmung 144, bestimmt: Ist die Rotationsgeschwindigkeit der Wirbelströmung 144 gross, so bildet sich eine breite Rückströmzone aus. Unter diesen Bedingungen bildet sich eine robuste, nahe an der Brenneröffung liegende Rückströmzone und damit im Betrieb eine stabile Verbrennungszone aus. Dies sind Bedingungen, wie sie im Interesse einer guten Flammenstabilität bei niedrigen Brennerlasten, also hohen Brennerluftzahlen gewünscht und zur Stabilisierung der mit vergleichsweise niedrigen Temperaturen brennenden Flamme auch notwendig sind. Andererseits bildet sich bei den hohen Drallzahlen der Verbrennungsluftströmung entlang der Brennerachse ein Gebiet niedrigen Druckes aus, welches die Rückströmzone und damit die Flamme gleichsam in das Brennerinnere hineinsaugt. Dies ist aber bei hohen Brennerlasten unerwünscht. Bei Vollast dieses Brenners operiert dieser mit Luftzahlen in einem Bereich von 2, im Extremfall auch noch bei brennstoffreicheren Bedingungen, beispielsweise bei Luftzahlen von 1.7, 1.5, oder gar 1.3, wobei aber in jedem Falle Luftzahlen im Bereich zwischen 2.5 und 2, bevorzugt etwa 2.3, erreicht werden. Die Verbrennungszone weist daher deutlich höhere Temperaturen auf, als im Teillastgebiet, wo Brennerluftzahlen von 3 oder 4 auftreten, und ist an sich wesentlich stabiler. Es wird bei hohen Lasten also keine so ausgeprägte Rückströmzone benötigt. Es besteht im Gegenteil die Gefahr, dass Heissgas aus der Verbrennungszone entlang der Brennerachse in den Brenner hinein eingesaugt wird. Ein solches Rückzünden kann einerseits die Integrität des Brenners, im Extremfall eines ganzen Maschinensatzes, gefährden. Auf der anderen Seite kann sich ein Flip-Flop-Effekt der Flamme zwischen zwei Verbrennungsmoden innerhalb und ausserhalb des Brenners aufschaukeln. Weiterhin ist für eine hohe Last eine räumlich grösser verteilte Verbrennungszone erwünscht. Zusammenfassend wäre also festzustellen, dass hier eine geringere Drallzahl der Wirbelströmung 144 wünschenswert und realisierbar ist, was aber den Betriebsbereich zu kleinen Lasten hin wieder einschränkt. Um die Gefahr des Flammenrückschlages zu verringern, ist es auch bekannt, zentral eine axiale Luftströmung in den Brenner einzubringen, was das Teillastverhalten des Brenners wiederum negativ beeinflusst, da die Rückströmzone von der Brennermündung fortgetrieben wird. Letztlich müssen die konstruktiv vorzugebenden Strömungsparameter der Verbrennungsluftströmung immer einen Kompromiss darstellen, nicht zuletzt auch aufgrund der Tatsache, dass beispielsweise beim Einsatz in Gasturbinen die Zuströmbedingungen der Verbrennungsluft zum Brenner in Bezug auf den Massenstrom, die Temperatur und den Druck stark variieren, so, dass es ohnehin schwierig ist, eine definierte Verbrennungsluftströmung zu schaffen. Auf an sich bekannte Weise wird entlang der Brennerachse, respektive der Drallerzeugerachse 100a eine axiale Zentralströmung 145 ins Zentrum des Brenners eingebracht. Zur Anpassung an die Betriebsbedingungen ist die Zentralströmung variabel ausgeführt. Zentral am kopfseitigen Ende des Brenners, also am stromaufwärtigen Ende, findet sich eine Eindüsungsvorrichtung 112. Die hier dargestellte Eindüsungsvorrichtung besteht aus einem Durchströmkörper 1121. Dieser ist im Ausführungsbeispiel im wesentlichen ein hohlgebohrter Zylinder, mit einer offenen Stirnseite, und einer Stirnseite, die einen Boden 1124 aufweist. Dabei weist der Boden 1124 eine Öffnung 1125 auf, deren Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser der Zylinderbohrung. Der Durchströmkörper 1121 endet mit der offenen Seite stumpf an einem anströmseitigen, das heisst stromaufwärtigen Ende des Brenners oder des Drallerzeugers 100, während der Boden 1124 mit seiner Öffnung zum Inneren 122 des Brenners hin weist. Hierdurch wird ein Luftstrom, welcher von der Anströmseite her zum Brenner strömt, grösstenteils durch die tangentialen Einlassschlitze 121 als Verbrennungsluft 141 tangential in den Brenner geführt; ein Teilstrom aber, abhängig vom Durchströmquerschnitt der Eindüsungsvorrichtung, strömt als axialer Luftstrom 145 entlang der Brennerachse 100a in das Zentrum des Brenners ein, und beeinflusst durch den zusätzlichen axialen Impuls die axiale Lage der Rückströmzone 123. In den Durchströmkörper 1121 ist koaxial ein verstellbarer Zentralkörper 1122 eingesetzt. Dieser verjüngt sich an einem Ende mit einem Konus 1123. Dieser Konus ragt wenigstens in einer axialen Position des Zentralkörpers in die Öffnung des Bodens des Durchströmkörpers hinein. Durch eine axiale Verstellung des Zentralkörpers 1122 versperrt der Konus 1123 die Öffnung in einem unterschiedlichen Ausmasse, und definiert so den engsten Durchströmquerschnitt der Eindüsungsvorrichtung 112. Durch eine axiale Verstellung des als Steuerkörper dienenden Zentralkörpers kann die axiale Zentralströmung 145 gesteuert und damit auch die Lage und Intensität des Rückströmzone 123 verändert werden. Dies ermöglicht es also, die Intensität der Zentralströmung an die Betriebsbedingungen des Brenners anzupassen. Der stabile und sichere Betriebsbereich des Brenners wird somit nochmals wesentlich erweitert. Gemäss der Erfindung wird die axiale Zentralströmung bei niedrigen Lasten vergleichsweise stark gedrosselt, derart, dass die Rückströmenzone nahe an der Brennermündung zu liegen kommt. Mit steigender thermischer Belastung des Brenners, welche beispielsweise durch eine steigende Brennstoffzufuhr zum Brenner ausgedrückt werden kann, wird die Axialströmung stärker freigegeben, wodurch die Rückströmenzone weiter von der Brennermündung weggetrieben wird. Damit werden die oben als günstig charakterisierten Betriebsmodi erreicht.
  • Bei den Vormischbrennern, auf welche die Erfindung bevorzugt Anwendung findet, wird häufig Brennstoff auch zentral zugeführt, wobei diese Brennstoffzuführung sowohl alternativ als auch ergänzend zu der oben beschriebenen Brennstoffzuführung über die Leitungen 111 Anwendung findet. Ein solcher Brenner ist in Fig. 4 dargestellt Der Brenner ist in wesentlichen Elementen insbesondere im Bezug auf den Drallerzeuger 100 und die Zufuhr der Brennstoffmenge 142, vollkommen identisch zu dem in Fig. 1 dargestellten Brenner aufgebaut, weshalb sich eine detaillierte Beschreibung erübrigt, und die folgenden Ausführungen sich auf die Unterschiede dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform beschränken können. Einerseits sind am Frontsegment 108 Filmkühlbohrungen 1081 zu erkennen, durch die eine Kühlluft 148 zur Kühlung des Frontsegmentes strömt. Weiterhin findet sich kopfseitig, d.h. am stromaufwärtigen Ende, des Drallerzeugers eine zentrale Brennstoffdüse. Üblicherweise wird über eine solche zentrale Düse Flüssigbrennstoff oder sogenanntes Pilotgas für den Brenngasbetrieb des Brenners im untersten Teillastbereich in den Verbrennungsluftstrom eingebracht; es kann auch beides kombiniert werden. Der zentral einzubringende Brennstoff 146 wird der Brennstoffdüse 113 über eine Brennstoffleitung 1131 zugeführt. Dargestellt ist im Ausführungsbeispiel in der Figur 4 ein Brennstoffkegel 147, beispielsweise ein Flüssigbrennstoffspray, welcher sich ausgehend von der zentralen Brennstoffdüse 113 im Inneren 122 des Drallerzeugers ausbreitet, und sich weiter stromab sukzessive mit der Drallströmung 144 vermischt. Üblicherweise wird bei der realen Ausführung eines solchen Brenners, wie er in Figur 4 dargestellt ist, im Gasbetrieb der Hauptbrennstoff als Brennstoffmenge 142, als sogenanntes Vormischgas, zugeführt. Die zentrale Brennstoffzuführung kann verwendet werden, um einerseits das oben erwähnte sogenannte Pilotgas zuzuführen. Weiterhin ist es bekannt, derartige Brenner als Zweistoff- ("Dual Fuel"-) Brenner auszuführen, die sowohl mit gasförmigen wie auch mit flüssigen Brennstoffen betrieben werden können; in diesem Fall findet in der Praxis eine zentrale Flüssigbrennstoffdüse Anwendung. Es ist auch bekannt, sowohl Flüssigbrennstoffdüsen als auch Pilotgaszuführungen im Kopfbereich eines Brenners zu implementieren. Daneben finden im Kopfbereich der Brenner häufig noch Düsen für Wasser- oder Dampfeinspritzung, welche häufig benutzt wird, um beim Öl- oder Pilotgasbetrieb des Brenners eine weitere Reduktion der Stickoxidemissionen zu erreichen. In solchen Fällen liegen im Kopfbereich des Brenners mitunter sehr beengte Platzverhältnisse vor, welche die Verwendung einer Zentralluftzufuhr der Art, wie sie in der ersten bevorzugten Ausführungsform in Figur 1 dargestellt ist, unmöglich machen. Es wird daher eine ringförmig um die Brennstoffdüse angeordnete Zentralluftzuführung 112 verwendet. Diese ist detaillierter in der Fig. 5 dargestellt. Brennstoffleitung 1131 mit der Brennstoffdüse 113 ist ein im wesentlichen ringförmiger Durchströmkörper 1121 angeordnet. Der Durchströmkörper 1121 ist mit einer Anzahl innerer Steuerbohrungen versehen, und konzentrisch in einem Aussenkörper 1126 angeordnet. Der Aussenkörper 1126 ist mit einer Anzahl äusserer Steuerbohrungen 1127 versehen, wobei jeder äusseren Steuerbohrung 1127 des Aussenkörpers 1126 eine innere Steuerbohrung 1128 des Durchströmkörpers 1121 zugeordnet ist. Die Zentralströmung strömt durch Paare von Steuerbohrungen in den zwischen der Brennstoffleitung 1131 bzw. der Brennstoffdüse 113 und dem Durchströmkörper 1121 gebildeten Ringspalt ein, und von dort axial in den Innenraum 122 des Drallerzeugers aus. Der Aussenkörper 1126 und der Durchströmkörper 1121 sind relativ zueinander verdrehbar und/oder axial verschieblich angeordnet. Damit kann der Überdeckungsgrad von inneren Steuerbohrungen 1128 und äusseren Steuerbohrungen 1127, somit also der Durchströmquerschnitt und der Massenstrom der Zentralströmung 145, variiert werden.
  • Ein weiterer beispielhafter Brenner ist in der Fig. 6 dargestellt. Der Brenner 1 ist an einer Brennkammer 20, beispielsweise einer Gasturbine, angeordnet, und mündet in einen Brennraum 50. Luft strömt von einem nicht dargestellten Verdichter in eine Luftkammer 60, welche von einem Gehäuse 4 umschlossen ist. Innerhalb des Gehäuses 4 ist eine Brennerhaube 5 angeordnet, welche wiederum den Brenner 1 umschliesst. Innerhalb der Brennerhaube ist ein Plenum 55 ausgebildet, welches in Fluidverbindung mit der Luftkammer 60 steht. Ein Verbrennungsluftstrom 141 strömt aus der Luftkammer 60 in das Plenum 55 ein, und von dort durch tangentiale Einlassschlitze in das Innere des Brenners 1, wo diese Luft auf die oben beschriebene Weise eine Drallströmung ausbildet und mit Brennstoff vermischt wird. Der Brenner ist auf die oben beschriebene Weise mit einer zentralen Eindüsungsvorrichtung 112 versehen. Die zentrale Eindüsungsvorrichtung ist mit einer Zentralluft-Zuleitung 1129 verbunden. Die Luftkammer 60 ist mit einer Bypassleitung 61 versehen. Die Bypassleitung 61 und die Zentralluft-Zuleitung 1129 sind miteinander derart verbunden, dass ein Zentralluftstrom 145 von der Bypassleitung 61 zur Zentralluft-Zuleitung 1129 strömen kann. In diesem Strömungsweg ist ein verstellbares Drosselorgan 62 als Stellorgan für den Zentralluftstrom 145 angeordnet. Somit kann der Zentralluftstrom ebenfalls wie oben beschrieben variiert und den Lastbedingungen des Brenners angepasst werden. Gegenüber den in den Figuren 1 und 4 dargestellten Ausführungsformen der steuerbaren Zentrallufteindüsung erfordert das hier dargestellte Ausführungsbeispiel einerseits einen erhöhten apparativen Aufwand, da ein Leitungssystem angeordnet werden muss; im Gegenzug kann das mechanisch vergleichsweise empfindliche Stellorgan an einer geeigneten und thermisch geringer belasteten Stelle angeordnet werden.
  • Eine spezielle Ausführungsform der Zentralluftversorgung mit Stellorgan ist in Fig. 7 gezeigt. Sowohl der Luftbypass 61 als auch die Zentralluft-Zuleitung 1129 münden in einem Überströmraum 63. Innerhalb des Überströmraumes ist eine Drosselklappe 64 angeordnet. Diese ist um eine Achse drehbar gelagert, wie durch den Pfeil in der Zeichnung angedeutet. Durch ein Verdrehen der Drosselklappe 64 kann der freie Strömungsquerschnitt des Überströmraumes verändert werden, woraus eine Variation des Zentralluftstromes 145 resultiert.
  • Vormischbrenner sind dem Fachmann in unterschiedlichen Ausbildungen geläufig, die sich von den in den Figuren 1, 4, 6 und 7 dargestellten Brennern, die im wesentlichen aus einem kegelförmigen Drallerzeuger bestehen, in der konkreten Ausführung unterscheiden. Gleichwohl sind alle diese Brenner nach einem gemeinsamen Prinzip aufgebaut: Sie weisen einen Drallerzeuger in Form eines Hohlkörpers mit einer Längserstreckung auf, welcher einen Drallerzeuger-Innenraum einschliesst. Der Drallerzeuger weist weiterhin in Richtung der Drallerzeuger-Längsachse erstreckte Einlassschlitze oder in Richtung der Längsachse angeordnete Einlassöffnungen auf, deren Durchströmquerschnitt im wesentlichen eine tangentiale Strömungsrichtung vorgibt. Durch diese Einlassöffnungen strömt Verbrennungsluft mit einer starken tangentialen Geschwindigkeitskomponente in den Drallerzeuger-Innenraum ein, und bildet dort eine Drallströmung mit einer gewissen zur Brennermündung in den Brennraum gerichteten Axialkomponente aus. Zumindest im Bereich der Luft-Einlassöffnungen ist dabei der axiale Srömungsquerschnitt des Drallerzeuger-Innenraums zur Brennermündung hin erweitert. Diese Ausbildung ist günstig, um bei dem in Richtung der Drallerzeugerachse zunehmenden Verbrennungsluft-Massenstrom im Drallerzeuger-Innenraum eine konstante Drallzahl der Drallströmung zu erreichen. Weiterhin weisen diese Brenner Mittel auf, um Brennstoff in die Verbrennungsluft-Strömung einzubringen, welcher sich im Drallerzeuger und in einer fakultativ stromab des Drallerzeugers anzuordnenden Mischzone, beispielsweise einem Mischrohr, möglichst homogen mit der verdrallten Verbrennungsluft vermischt. Am Austritt aus dem Brenner in den Brennraum liegt ein Querschnittssprung des axialen Strömungsquerschnittes vor. Hier kommt es zu einem Aufplatzen der Drallströmung, und der Ausbildung einer zentralen Rückströmzone, die, wie oben bereits ausführlich beschrieben, zur Stabilisierung einer Flamme nutzbar ist.
  • Es ist beispielsweise aus der EP 0 780 629, welche Schrift im Übrigen einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung darstellt, bekannt, stromab des Drallerzeugers eines Brenners ein Mischrohr anzuordnen. Die Realisierung der Erfindung mit einem solchen Brenner ist in Figur 8 beispielhaft dargestellt. Stromab eines kegeligen Drallerzeugers 100, dessen Aufbau und Funktion an dieser Stelle nicht mehr im Detail zu diskutieren ist, ist eine Mischstrecke 200 angeordnet. Der Drallerzeuger ist auf einem Haltering 210 befestigt. In dem Haltering 210 ist weiterhin ein Übergangselement 220 angeordnet. Dieses ist mit einer Anzahl von Übergangskanälen 221 versehen, welche die im Drallerzeuger 100 aus der einströmenden Verbrennungsluft generierte Drallströmung 144 ohne plötzliche Querschnittsänderungen in die Mischstrecke überführt stromab des Übergangselementes ist das eigentliche Mischrohr 230 angeordnet. In dem Mischrohr kommt es nötigenfalls zu einer weiteren Homogenisierung der Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff. Aufgrund der gleichmässigen Bereitstellung eines zündfähigen Gemisches über den gesamten Strömungsquerschnitt des Mischrohres besteht die Gefahr, dass eine Flamme entlang der impulsarmen Wandgrenzschichten in das Mischrohr zurückzündet. Daher ist das Mischrohr mit im spitzen Winkel zur Brennerachse verlaufenden Wandfilmbohrungen 231 versehen. Über diese strömt eine Luftmenge 150 in das Mischrohr ein, und bildet dort einen Wandfilm aus. Durch die Beschleunigung respektive Verkleinerung der Wandgrenzschichten einerseits und die Verdrängung zündfähigen Gemisches aus den impulsarmen Bereichen andererseits wird dieses Rückzünden wirkungsvoll unterbunden. Das Mischrohr 230 verfügt an der Mündung in den Brennraum 50 über eine Abrisskante 232, welche ebenfalls die Form und Lage der sich an der Brennermündung ausbildenden Rückströmzone 123 stabilisiert. Das Mischrohr ist an einem gleichzeitig eine Brennraumwand bildenden Frontsegment 108 befestigt, welches in diesem Beispiel über Prallkühlbleche 109 und Prallkühlluft 149 prallgekühlt ist. Neben der Gefahr des Rückzündens entlang der Wandgrenzschichten besteht auch hier die Gefahr des Rückzündens der Flamme entlang der Brennerachse 100a bei hoher Last, oder die Gefahr des Abschwimmens der Rückströmzone 123 mit Flammeninstabilitäten bei niedriger Last. Um dies zu vermeiden, ist auch der in Figur 8 dargestellte Brenner mit einer nicht ausführlich dargestellten steuerbaren Eindüsungsvorrichtung für eine axiale Zentralströmung 145 ausgestattet, die wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wirkt. Selbstverständlich kann diese auch hier mit einer zentralen Brennstoffdüse kombiniert sein.
  • Aus WO 93/17279 und EP 0 945 677 sind gleichfalls Brenner bekannt, welche zylindrische Drallerzeuger mit tangentialen Verbrennungslufteinlässen aufweisen. In diesem Zusammenhang ist auch bekannt, im Inneren eines zylindrischen Drallerzeugers einen sich zur Brennermündung hin verjüngenden Verdrängungskörper anzuordnen. Durch einen derartigen Drallerzeuger-Innenkörper können weiterhin die oben angegebenen günstigen Kriterien für den axialen Durchflussquerschnitt des Drallerzeugers, nämlich, dass der axiale Durchflussquerschnitt in axialer Durchströmungsrichtung zunimmt, erfüllt werden. Ausführungsformen solcher Brenner sind in den Figuren 9 und 10 dargestellt. Die erste Ausführungsform in Figur 9 zeigt das Prinzip eines derartigen Brenners. Die Funktionsweise ist hinreichend bekannt und im Zusammenhang mit Figur 1 prinzipiell erläutert; Abweichend von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Brenners weist die in Fig. 9 dargestellte Ausführungsform allerdings einen kegeligen, sich zur Brennermündung in den Brennraum 50 hin verjüngenden Verdrängungskörper auf. Die Eindüsungsvorrichtung 112 für axiale Zentralströmung 145 wird zweckmässig im Bereich des stromabwärtigen Endes diese Verdrängungskörpers angeordnet. Die Zuströmung zu der Eindüsungsvorrichtung 112 kann mit Vorteil im Inneren des Verdrängungskörpers angeordnet werden; dort findet sich ebenfalls Platz für die erfindungsgemäss am Brenner anzuordnenden Steuerungsmittel. Weiterhin können hier bei Bedarf natürlich problemlos zentrale Brennstoffeindüsungen angeordnet werden.
  • Fig. 10 zeigt eine derartige Ausführung des Brenners, wie sie in der Grundform in der EP 0 945 677 ausführlich beschrieben ist, detaillierter. Der Verdrängungskörper 105 ist hohl und an seinem dem Brennraum 50 zugewandten Ende stumpf ausgebildet. Die Eindüsungsvorrichtung 112 für die axiale Zentralströmung ist innerhalb des hohlen und zur stromaufwärtigen Anströmseite des Brenners offenen Verdrängungskörper 105 angeordnet. Der Massenstrom der Axialströmung 145 kann mittels einem axial verschieblichen Zentralkörper 1122 mit einem Steuerkonus 1123 verändert werden. Dabei ist der eigentliche Steuermechanismus mit dem Konus aus Platzgründen im stromaufwärtigen Teil des Verdrängungskörper-Innenraumes angeordnet. Am stromabwärtigen Ende des Verdrängungskörpers ist im Inneren eine Kammer angeordnet. Zu dieser Kammer führt durch den hohlen Verdrängungskörper hindurch eine Brennstoffleitung 1131, über die der Kammer eine Brennstoffmenge 146 zugeführt wird. Dieser Brennstoff kann über als zentrale Brennstoffdüse wirkende Austrittsöffnungen 113 als zentral eingedüster Brennstoff in den verdrallten Verbrennungsluftstrom 144 strömen. Durch die Steuerung des axial eingebrachten Massenstroms 145 mittels des Steuerkonus 1123 kann die Lage der Rückströmzone 123 den jeweiligen Betriebsbedingungen des Brenners angepasst werden. Selbstverständlich sind hier auch Ausführungen der Brennstoffeindüsung und der Eindüsung der axialen Zentralströmung möglich, bei denen der Brennstoff entlang der Brennerachse 100a eingebracht wird, und die Eindüsungsvorrichtung für die Zentralströmung ringförmig angeordnet ist, etwa analog zu den in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen.
  • Selbstverständlich können auch die Brenner mit zylindrischem Drallerzeuger mit einer dem Drallerzeuger stromab nachgeschalteten Mischstrecke versehen werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
  • Der Einsatz eines Drallerzeugers mit einem zentralen Verdrängungskörper ermöglicht es auch, den Drallerzeuger selbst zur Mündung hin konvergent zu gestalten, und den axialen Diurchströmquerschnitt des Drallerzeuger-Innenraums dennoch divergent zu gestalten. Diese, in Figur 11 dargestellte Variante, ermöglicht einen zur Brennerachse 100a gerichteten Verlauf der transversalen Geschwindigkeitskomponente der Drallströmung 144. Auch hier kann der Zentralkörper 105 mit Vorteil mit einer Eindüsungsvorrichtung 112 zum Einbringen einer steuerbaren axialen Zentralströmung versehen werden.
  • Drallerzeuger mit tangentialen Verbrennungslufteinlässen können auf unterschiedliche Weise aufgebaut sein. Neben dem in den Figuren 2 und 3 im Querschnitt dargestellten Aufbau aus mehreren Teilkörpern kommen auch monolithische Bauweisen mit Einlassöffnungen in Frage. Eine solche Ausführungsform ist in der Figur 12 im Querschnitt dargestellt. Der Drallerzeuger ist aus einem hohlzylindrischen Monolithen aufgebaut. In diesen sind Einlassöffnungen 121 in Form von axial und tangential verlaufenden Schlitzen eingearbeitet, durch welche ein Verbrennungsluftstrom 141 tangential in das Drallerzeuger-Innere 122 einströmt. Weiterhin sind Brennstoffzuführungen 111 in Form von axial verlaufenden, im Bereich der Einlassöffnungen angeordneten Bohrungen zu erkennen, welche Austrittsbohrungen 1111 aufweisen, über die eine Brennstoffmenge 142 in den Verbrennungsluftstrom 141 ausströmen kann. In Figur 13 ist ein kegelförmiger Drallerzeuger 100 aus einem monolithischen Hohlkörper dargestellt. Dieser könnte selbstverständlich auch zylindrisch sein. In den monolithischen Drallerzeuger sind tangentiale Öffnungen, beispielsweise Bohrungen, eingearbeitet, welche ebenfalls als tangentiale Eintrittsöffnungen 121 für einen Verbrennungsluftstrom 141 dienen.
  • In Fig. 14 ist eine erste, einfach zu handhabende Betriebsweise dargestellt. Der Brenner 1 wird mit einer Brennstoffmenge 142 betrieben. Der Massenstrom dieses Brennstoffs wird an einer Messstelle 2 bestimmt. Das sich hieraus ergebende Massenstromsignal X wird in einer Steuereinheit 3 verarbeitet, und in ein Steuersignal Y für den Verstellmechanismus der axialen Zentrallufteindüsung des Brenners 1 umgesetzt.
  • Eine zweite, in Fig. 15 dargestellte Ausführungsform betrifft den erfindungsgemässen Einsatz eines oben beschriebenen Brenners in Gasturbinenanlagen. Im Beispiel in Figur 15 sind ein Verdichter 10, eine Turbine 30, und ein Generator 40 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Der Verdichter 10 ist mit einer verstellbaren Vorleitreihe 11 ausgestattet. Im Strömungsweg eines Arbeitsmediums ist zwischen dem Verdichter 10 und der Turbine 30 eine Brennkammer 20 angeordnet. Die Brennkammer 20 wird mit mindestens einem Brenner 1 betrieben. Von einer Steuereinheit 3 ist ein Stellsignal Y an die verstellbare Vorrichtung zur Eindüsung der axialen Zentralströmung geführt. Im dargestellten Beispiel erhält die Steuereinheit 3 ein Leistungssignal XP, Signale XAMB von nicht dargestellten Sensoren, welche Umgebungsbedingungen - Temperatur, Feuchte, Druck und weitere - der Umgebungsluft bestimmen, sowie ein Signal XVLE, welches die Stellung der Vorleitreihe 11 wiedergibt. Selbstverständlich können eine ganze Reihe weiterer, Maschinen-betriebsrelevanter Daten zu der Steuereinheit 3 geführt sein; insbesondere könnte das Generator-Leistungssignal durch Brennstoffmassenstromsignale ersetzt werden. Aus diesen Grössen ist die Steuereinheit 3 in der Lage, eine verbrennungsluftspeziftsche Brennerbelastung zu bilden, und aus dieser das Steuersignal Y zu bestimmen.
  • In Figur 16 ist wiederum eine Gasturbogruppe mit einem auf einer gemeinsamen Welle angeordneten Verdichter 10, einer Turbine 30, und einem Generator 40 dargestellt. Die Brennkammer 20 ist als Ringbrennkammer, im Längsschnitt, dargestellt, welche mit wenigstens einem Brenner 1 betrieben wird. Der Brenner 1 ist mit einer Temperaturmessstelle zur Bestimmung der Materialtemperatur versehen, welche ein Temperatursignal XT erzeugt. Die Brennkammer 20 ist mit einer Pulsationsmessvorrichtung zur Bestimmung der Verbrennungs-Druckschwankungen versehen, welche ein Pulsationssignal XPuls erzeugt. Die Signale XT und XPuls sind zu einer Steuereinheit 3 geführt, welche ein Steuersignal Y zur Steuerung der Intensität der axialen Zentralströmung generiert. Wenn die Materialtemperatur einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wird der zentral eingedüste Massenstrom erhöht, damit wird die Flamme ein Stück von der Brennermündung weggetrieben, was die Wärmebelastung des Brenners vermindert. Andererseits kann es dadurch zu einer unerwünschten Verminderung der Flammenstabilität kommen. Dies wird durch die Pulsationsmessstelle festgestellt. Wenn das Pulsationssignal XPuls anwächst, kann der zentral eingedüste Massenstrom vermindert werden, um die Verbrennungsstabilität zu erhöhen und dem Anwachsen der Verbrennungs-Druckschwankungen entgegenzuwirken. Auf diese Weise kann die Zentraleindüsung in Abhängigkeit von gemessenen relevanten Daten geregelt werden.
  • Es versteht sich von selbst, dass die angegebenen Betriebsverfahren auch Teil wesentlich komplexerer, übergeordneter Steuerungskonzepte darstellen und in diese integriert sein können.
  • Es ist weiterhin auch denkbar, nur einzelne Brenner eines Mehrbrennersystems mit der erfindungsgemässen Zentralluftversorgung zu versehen, oder die Brenner mit unterschiedlichen Zentralluftströmen zu betreiben. Dadurch kann gezielt eine Symmetriebrechung in Mehrbrennersysternen erreicht werden, was zur Verminderung oder vollständigen Vermeidung insbesondere azimutaler akustischer Schwingungen nutzbar ist.
  • Die oben gemachten Ausführungen dienen dem Fachmann als illustrative Beispiele für die Vielzahl von möglicher Ausführungsformen des erfindungsgemässen und in den Ansprüchen gekennzeichneten Betriebsweisen von Vormischbrennern.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Brenner
    2
    Massenstrom-Messstelle
    3
    Steuereinheit
    4
    Gehäuse
    5
    Brennerhaube
    10
    Verdichter
    11
    verstellbare Vorleitreihe
    20
    Gasturbinen-Brennkammer
    30
    Turbine
    40
    Generator
    50
    Brennraum
    55
    Plenum
    60
    Luftkammer
    61
    Luftbypass
    62
    Zentralluft-Steuerorgan
    63
    Überströmraum
    64
    Drosselklappe
    100
    Drallerzeuger
    100a
    Längsachse des Drallerzeugers, Brenners
    102, 102, 103, 104
    Drallerzeuger-Teilkörper
    101a, 102a, 103a, 104a
    Achsen der Drallerzeuger-Teilkörper
    105
    Drallerzeuger-Innenkörper
    108
    Frontplatte, Frontsegment
    109
    Prallkühlblech
    111
    Brennstoffleitung
    112
    Eindüsungsvorrichtung
    113
    zentrale Brennstoffdüse
    121
    tangentiale Einlassschlitze
    122
    Innenraum des Drallerzeugers
    123
    Rückströmzone
    141
    Verbrennungsluftstrom
    142
    Brennstoffmenge
    144
    Drallströmung
    145
    axiale Zentralströmung
    146
    zentral einzudüsende Brennstoffmenge
    147
    zentral eingedüster Brennstoff
    148
    Kühlluft
    149
    Prallkühlluft
    150
    Luftmenge, Wandfilm
    200
    Mischstrecke
    210
    Haltering
    220
    Übergangselement
    221
    Übergangskanäle
    230
    Mischrohr
    231
    Wandfilmbohrungen
    232
    Abrisskante
    1051
    Kammer
    1081
    Filmkühlöffnungen
    1111
    Austrittsbohrung
    1121
    Durchströmkörper
    1122
    Zentralkörper
    1123
    Konus
    1124
    Boden
    1125
    Öffnung
    1126
    Aussenkörper
    1127
    äussere Steuerbohrung
    1128
    innere Steuerbohrung
    1129
    Zentralluft-Zuführleitung
    1131
    Brennstoffzuleitung
    X
    Messgrösse
    Y
    Stellgrösse

Claims (17)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Brenners welcher Brenner aufweist:
    einen Drallerzeuger (100) zum tangentialen Einbringen eines Verbrennungsluftstroms (141) in einen Innenraum (122) des Drallerzeugers, sowie Mittel zum Einbringen wenigstens eines Brennstoffes (142) in den Verbrennungsluftstrom, und welcher Brenner an einem stromabwärtigen Ende eine sprunghafte Querschnittserweiterung eines axialen Brenner-Durchströmquerschnittes zu einem Brennraum (50) hin aufweist, und
    welcher Brenner weiterhin eine Eindüsungsvorrichtung (112) zum Einbringen einer axialen Zentralströmung (145) entlang einer zentralen Brennerachse (100 a) aufweist, wobei besagte Eindüsungsvorrichtung (112) mit verstellbaren Elementen (62, 64, 1122, 1126) zur Veränderung eines Durchströmquerschnittes und zur Steuerung des Massenstroms der Zentralströmung in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass
    bei einer ersten Brennerlast, welche kleiner ist als eine zweite Brennerlast, die axiale Zentralströmung stärker gedrosselt wird als bei der zweiten Brennerlast, während die axiale Zentralströmung bei der zweiten Brennerlast, welche grösser ist als die erste Brennerlast, nicht gedrosselt wird oder geringer gedrosselt wird als bei der ersten Brennerlast.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerlast über ein Brennstoffmengen-Messsignal (X) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brenner in einer Brennkammer (20) einer Gasturbinenanlage betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerlast in Abhängigkeit von einer Generatorleistung und/oder einer Brennstoffmenge der Gasturbinenanlage, der Stellung der Vorleitreihe eines der Gasturbinenanlage zugehörigen Verdichters, und Umgebungsbedingungen bestimmt wird.
  4. Verfahren gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, mehrere Brenner in einem Mehrbrennersystem zu betreiben, und die Brenner mit unterschiedlichen Zentralluftströmen zu betreiben.
  5. Brenner zur Durchführung eines Verfahrens gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, welcher im wesentlichen einen Drallerzeuger (100) zum tangentialen Einbringen eines Verbrennungsluftstroms (141) in einen Innenraum (122) des Drallerzeugers beinhaltet, sowie Mittel zum Einbringen wenigstens eines Brennstoffes (142) in den Verbrennungsluftstrom, und welcher Brenner an einem stromabwärtigen Ende eine sprunghafte Querschnittserweiterung eines axialen Brenner-Durchströmquerschnittes zu einem Brennraum (50) hin aufweist, und welcher Brenner weiterhin eine Eindüsungsvorrichtung (112) zum Einbringen einer axialen Zentralströmung (145) entlang einer zentralen Brennerachse (100a) aufweist, wobei die Eindüsungsvorrichtung (112) mit verstellbaren Elementen (62, 64, 1122, 1126) zur Veränderung eines Durchströmquerschnittes und zur Steuerung des Massenstromes der Zentralströmung in Wirkverbindung steht, und wobei die Eindüsungsvorrichtung (112) mit einer Zentralluft-Zuleitung (1129) verbunden ist, und das verstellbare Element (62, 64) in Wirkverbindung mit einem der Eindüsungsvorrichtung abgewandten Ende der Zentralluft-Zuleitung (1129) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralluft-Zuleitung (1129) an dem der Eindüsungsvorrichtung abgewandten Ende mit einem Luftbypass (61) in Verbindung steht, und dass zwischen der Zentralluft-Zuleitung und dem Luftbypass das verstellbare Element (62) angeordnet ist.
  6. Brenner gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ZentralluftZuführung und der Bypass über einen dazwischen angeordneten Überströmraum in Fluidverbindung stehen, und dass das verstellbare Element eine in dem Überströmraum angeordnete Drosselklappe ist,
  7. Brenner nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Brenner-Durchströmquerschnitt des Innenraums (122) im Bereich des Drallerzeugers (100) wenigstens teilweise zunimmt.
  8. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenraum (122) des Drallerzeugers (100) im Längsschnitt wenigstens näherungsweise die Form eines Kegels aufweist.
  9. Brenner nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenraum (122) des Drallerzeugers (100) im Längsschnitt wenigstens näherungsweise Zylinderform aufweist.
  10. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (122) des Drallerzeugers (100) ein Verdrängungskörper (105) angeordnet ist.
  11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (105) sich zur Brennermündung hin verjüngt.
  12. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Drallerzeuger (100) und der Brennermündung in den Brennraum (50) eine Mischstrecke (200) angeordnet ist.
  13. Brenner nach Anspruch 8, wobei der Innenraum (122) des Drallerzeugers die Form eines sich zur Brennermündung hin erweiternden Kegels aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungsvorrichtung (112) an einem stromaufwärtigen, der Brennermündung abgewandten Ende des Drallerzeugers (100) angeordnet ist.
  14. Brenner nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungsvorrichtung (112) an einem stromabwärtigen, der Brennermündung zugewandten Ende des Verdrängungskörpers (105) angeordnet ist.
  15. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger aus einer Anzahl lateral zueinander versetzt angeordneter Teilkörper (101, 102, 103, 104) besteht, zwischen welchen tangentiale Einlassschlitze (121) für den Verbrennungsluftstrom (141) ausgebildet sind.
  16. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger als monolitischer Hohlkörper ausgebildet ist, in welchen tangentiale Eintrittsschlitze und/oder Reihen tangentialer Eintrittsöffnungen für den Verbrennungsluftstrom eingearbeitet sind.
  17. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 16 zum Betrieb in einer Brennkammer einer Gasturbinenanlage.
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