WO2006021543A1

WO2006021543A1 - Mischeranordnung

Info

Publication number: WO2006021543A1
Application number: PCT/EP2005/054083
Authority: WO
Inventors: Richard Carroni
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2006-03-02
Also published as: US7780151B2; US20070113555A1; DE112005001695A5

Abstract

Beschrieben wird eine Mischeranordnung sowie ein Verfahren zur Ausbildung eines Brennstoff-Luftgemisches, die mit einer Brenneranordnung einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, kombinierbar ist, mit einem Durchströmungskörper (1), der wenigstens eine Lufteintrittsöffnung (2, 3, 4), wenigstens eine Strömungsaustrittsöffnung, einen die Lufteintrittsöffnung mit der Strömungsaustrittsöffnung verbindenden Strömungskanal (5, 6, 7) sowie wenigstens eine im Bereich der Lufteintrittsöffnung und/oder längs des Strömungskanals angeordnete Brennstoffzuführung (9) vorsieht.

Description

Mischeranordnung

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mischeranordnung sowie auf ein Verfahren zum Mischen und Herstellen eines Brennstoff-Luftgemisches, das einer Brenneranordnung zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, zugeführt wird.

Stand der Technik

Für den Betrieb leistungsstarker Wärmekraftmaschinen, insbesondere Gasturbinenanordnungen, bestehen hohe Anforderungen bezüglich der Erzeugung und Bereitstellung eines möglichst homogen durchmischten, zündfähigen Brennstoff- Luftgemisches, durch dessen Verbrennung innerhalb einer Brennkammer Heissgase gebildet werden, die zum Antrieb von Turbinenstufen dienen, durch die letztlich einen Generator zur Stromgewinnung antreiben.

Um den Verbrennungsvorgang möglichst effizient durchzuführen und darüber hinaus dafür Sorge zu tragen, dass der gesamte mit Luft vermischte Brennstoff abgebrannt wird, gilt es der Brenneranordnung ein homogen durchmischtes Brennstoff- Luftgemisch in Form einer Gemischströmung zuzuführen, die über ein weitgehend gleich verteiltes Geschwindigkeitsprofil längs des gesamten Strömungsquerschnittes besitzt.

Es liegt auf der Hand, dass die an die Mischeranordnungen zu stellenden Anforderungen mit der Leistungszunahme moderner Wärmekraftmaschinen gleichsam zunehmen, gilt es doch immer größere Mengen an Brennstoff- Luftgemischen zur Verfügung zustellen, zumal das Schluckvermögen derartiger moderner Anlagen stets größer wird. Auch der Aspekt der zunehmender Baugröße und Komplexität insbesondere bei modernen Hochleistungsgasturbinenanlagen spielt bei der Auslegung erforderlicher Mischeranordnungen eine wichtige Rolle. So gilt es die Mischeranordnung möglichst flexibel größenskalierbar auszubilden, um nicht für jede einzelne unterschiedlich leistungsstark ausgebildete Gasturbinenanlage ein speziell angepasstes Mischerdesign bereitstellen zu müssen.

Insbesondere der Einsatz sogenannter katalytischer Brennersysteme, die bei leistungsstarken Gasturbinenanlagen vornehmlich aus Gründen der Vermeidung von Schadstoffemissionen zunehmende Verwendung finden, erfordern einen grossen Massenstrom an Brennstoff-Luftgemisch, der möglichst homogen durchmischt und über ein gleichförmig verteiltes Geschwindigkeitsprofil längs des gesamten Strömungsquerschnittes vor Eintritt in die Katalysatoreinheit aufweisen soll.

Bis dato sind nur unbefriedigende Lösungen zur Mischung und Bereitstellung derartiger Brennstoff-Luftgemische bekannt, wie sie beispielsweise aus einem Beitrag von R. L. Hack et al., „Design and Testing of a Unique, Compact Gas Turbine Catalytic Combustor Premixer", Proceedings of ASME Turbo Expo 2003, Paper No. GT 2003-38778, June 16 -19, 2003, Atlanta, USA, entnehmbar sind. So wird der Zuluftstrom bei einem sogenannten „Baseline-Mixer" durch einen jeweils zweimal, die Strömung um 180° umlenkende Strömungskanalabschnitte geführt, bevor die Zuluft mit Brennstoff vermischt wird, die im weiteren durch eine Abfolge mehrerer statischer Mischer unter Ausbildung eines Brennstoff-Luftgemisches vermischt wird. Um den Brennstoffeintrag in den Zuluftstrom im Hinblick auf ein besseres Durchmischungsergebnis zu optimieren, wird in einer verbesserten Ausführungsvariante eine Mischeranordnung beschrieben, bei der der Brennstoff längs einer Strömungsumlenkkontur, durch die die Zuluftströmung um 180° umgelenkt wird, eingespeist wird. Die Brennstoffeinspeisung erfolgt über seitliche, die Strömungsumlenkkontur begrenzende Kanalwände, in denen Brennstoffdüsen eingebracht sind, die Brennstoff im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung in den Luftstrom einspeisen. Die in dem vorstehenden Artikel beschriebenen Mischeranordnungen sind jedoch lediglich für Anforderungen geringer Brennerieistung geeignet, zumal die Strömungs¬ umlenkenden Konturen bei erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten insbesondere in Bereichen kleiner Krümmungsradien zu Kanalwand-nahen Strömungsablösungen führen, durch die Strömungsbereiche mit Strömungsumkehr geschaffen werden, die letztlich zu Inhomogenitäten längs des Strömungsprofils führen. Darüber hinaus gestattet die Doppelkrümmung längs des Luftzuführungskanals keine beliebig kompakte Bauweise, die jedoch aus Gründen einer Integration in eine Hochleistungsgasturbinenanlage wünschenswert wäre. Derartigen Anlagen müssen erhebliche Massenströme eines homogen durchmischten Brennstoff-Luftgemisches zugeführt werden, was hohe Strömungsgeschwindigkeiten voraussetzt, unter denen sich insbesondere im Bereich stromab der die Strömung um 180° umlenkenden Kanalkonturen unvermeidbar Strömungsablösungen einstellen, die es jedoch zu vermeiden gilt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Mischeranordnung zur Ausbildung eines Brennstoff-Luftgemisches, die mit einer Brenneranordnung einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, kombinierbar ist, gemäss den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart auszubilden, dass die Erzeugung eines Brennstoff-Luftgemisches für

Hochleistungsgasturbinenanwendungen möglich sein soll ohne die vorstehend zum Stand der Technik genannten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Insbesondere gilt es einen großen Massenfluss eines Brennstoff-Luftgemisches bereitzustellen, wobei während der gesamten Mischung keinerlei Stau-, Rückström- oder Totwasserzonen verursachende Strömungsablösungen längs der Strömungskanäle innerhalb der Mischeranordnung auftreten sollen. Auch gilt es jegliche Bereiche innerhalb der Mischeranordnung zu vermeiden, in denen sich Bereiche erhöhter Selbstzündungsgefahr durch lokale Brennstoffansammlungen ausbilden. Ferner soll das durch Mischeranordnung bereitgestellte Brennstoff-Luftgemisch zur Befeuerung eines katalytischen Brenners geeignet sein, d.h. die Gemischströmung hat möglichst über ein weitgehend gleichförmiges Geschwindigkeitsprofil längs des Strömungsquerschnittes zu verfügen. Letztlich soll die Mischeranordnung möglichst kompakt und kleinbauend ausgebildet sein, um eine hohe Integrationsfähigkeit sowie die Möglichkeit der Retrofittierbarkeit, d.h. Nachrüstbarkeit an bereits bestehenden Brennersystemen, zu gewinnen

Ebenso gilt es ein Verfahren anzugeben, mit dem die Herstellung eines Brennstoff- Luftgemisches zum Betrieb hochleistungsfähiger moderner Gasturbinen effizient möglich wird.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 21 ist ein Verfahren zum Mischen eines Brennstoff-Luftgemisches, das zur Befeuerung eines Brenners dient. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele im Einzelnen entnehmbar.

Im Gegensatz zu bekannten Mischeranordnungen zur Ausbildung eines Brennstoff- Luftgemisches, die mit einer Brenneranordnung einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, kombinierbar sind, und jeweils einen Durchströmungskörper aufweisen, der wenigstens eine Lufteintrittsöffnung, wenigstens eine Strömungsaustrittsöffnung, einen die Lufteintrittsöffnung mit der Strömungsaustrittsöffnung verbindenden Strömungskanal sowie wenigstens eine im Bereich der Lufteintrittsöffnung und/oder längs des Strömungskanals angeordnete Brennstoffzuführung vorsieht, weist die neuartige Mischeranordnung einen Strömungsumlenkbereich vor, der wenigstens zwei Lufteintrittsöffnungen aufweist, an die sich jeweils ein Strömungskanalabschnitt anschliesst, der eine in den jeweiligen Strömungskanalabschnitt eintretende Luftströmung um einen Umlenkwinkel ß ≠ 0°, vorzugsweise 90° < ß < 180° ablenkt und jeweils eine Austrittsöffnung aufweist, durch die einzelnen abgelenkten Teilströmungen vorzugsweise mit gleicher Geschwindigkeit austreten. Durch die neuartige Aufteilung der in den Durchströmungskörper eintretenden Luftströmung in sich jeweils längs der Strömungskanalabschnitte ausbreitende Teilströme ist es möglich, durch geeignet gewählte Strömungskanalabschnittsgeometrien die einzelnen Teilströme mit

einen Winkel ß von wenigstens 90° umzulenken und dies insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten.

Eine Vielzahl strömungstechnischer Untersuchungen hat ergeben, dass eine Umlenkung einer Gesamtströmung um einen vorgebbaren Umlenkwinkel mit geringeren Strömungs- und Druckverlusten geführt werden kann, sofern die Gesamtströmung in einzelne Teilströmungen aufgeteilt wird, die jeweils durch strömungsgünstige ausgebildete Strömungskanalabschnitte geleitet werden, als im Vergleich zur Strömungsumlenkung eines einzigen die Gesamtströmung einheitlich umfassenden Strömungskanals.

Gleichsam gattungsgemäßer Mischeranordnungen erfolgt auch bei der lösungsgemäßen Mischeranordnung die Brennstoffeinspeisung im Bereich der Lufteintrittsöffnungen und/oder längs der die Luftströmung umlenkenden Strömungskanalabschnitte, die jeweils derart ausgebildet sind, dass die einzelnen, die Strömungskanalabschnitte passierenden Teilströmungen die Strömungskanalabschnitte weitgehend isokinetisch, d.h. mit gleich bleibender Geschwindigkeit, durchströmen. Dieses Erfordernis ist durch die geeignete Wahl des Verhältnisses aus Querschnitt und Krümmung des jeweiligen Strömungskanalabschnittes zu gewährleisten. Die aus den einzelnen Austrittsöffnungen der Strömungskanalabschnitte austretenden Teilströme des sich ausbildenden Brennstoff-Luftgemisches weisen aufgrund der isokinetischen Durchströmungseigenschaft sowie den jeweils gleich gross dimensionierten Austrittsöffnungen einheitliche Strömungsgeschwindigkeiten untereinander auf.

Um den Durchmischungsgrad der sich längs der Strömungskanalabschnitte ausbildenden Brennstoff-Luftgemisch-Teilströme zu verbessern, sieht eine Ausführungsvariante der Mischeranordnung einen sich unmittelbar an den Strömungsumlenkbereich stromab anschließenden Nachmischbereich vor, der einzelne Mischkanalabschnitte aufweist, die sich jeweils stromab an die Strömungskanalabschnitte bündig anschliessen und in denen die jeweiligen Brennstoff-Luftgemisch-Teilströme eine weitere Durchmischung erfahren. Hierzu dient jeweils eine in jeden Mischkanalabschnitt eingebrachte Strömungswirbel erzeugende Struktur, durch die möglichst ohne Druckverlust eine starke Verwirbelung der jeweils durch die einzelnen Mischkanalabschnitte hindurch tretenden Teilströmung hervorgerufen wird. Die einzelnen Mischkanalabschnitte verfügen jeweils über eine Austrittsöffnung derart, dass die aus den Mischkanalabschnitten austretenden Teilströme zu einer räumlich kompakt einheitlichen Gesamtströmung zusammengeführt werden, die in dieser Form die Mischeranordnung verlässt. Das auf diese Weise erzeugte Brennstoff-Luftgemisch wird sodann direkt einer Brenneranordnung, gegebenenfalls einer katalytisch unterstützten Brenneranordnung, zugeführt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht anstelle der mit Strömungswirbel erzeugenden Strukturen versehenen Mischkanalabschnitte einen so genannten Feinmischbereich vor, der aus einer Vielzahl einzelner Strömungskanäle zusammengesetzt ist, die jeweils längs konzentrischer Ringbereiche angeordnet sind und über Strömungsquerschnitte mit Strömungskanaldurchmessern zwischen 0,5 und 5 mm verfügen. Zudem sind die einzelnen Strömungskanäle pro Ringbereich gegenüber der Strömungsrichtung, mit der das Brennstoff-Luftgemisch den Strömungsumlenkbereich verlässt, unter einem Anstellwinkel ±δ angestellt, d.h. alle Strömungskanäle, die in einen koaxialen Ringbereiche angeordnet sind, sind parallel zueinander angeordnet, jedoch sind die Strömungskanallängsachsen zwischen zwei radial benachbarten Ringbereichen jeweils wechselweise um + und - δ angeordnet, um auf diese Weise stromab der Feinmischstruktur stark tangential wirkende Scherkräfte zwischen den einzelnen aus den Ringbereichen austretenden Strömungsbereichen zu erzeugen, um den Durchmischungsgrad des Brennstoff- Luftgemisches zu optimieren. Darüber hinaus wirkt die Vielzahl der in Ringbereiche unterteilte Strömungskanäle homogenisierend auf die Strömungsrichtung, d.h. die aus der Feinmischstruktur austretende Strömung erfährt eine räumliche Strömungszusammenführung, die sich letztlich auch vereinheitlichend auf das axiale Geschwindigkeitsprofil auswirkt. Ein weiterer Vorteil der Feinmischstruktur besteht ferner darin, dass aufgrund der nur kleinen Strömungskanalquerschnitte im Milllimeterbereich und darunter jegliche Rückzündungsgefahr im Wege von

durch die Feinmischstruktur hindurch ausgeschlossen werden kann. Ringströmungen sich ausbildenden tangentialen Scherkräfte durch

In einer bevorzugten weiteren Ausführungsform besteht die Mischeranordnung aus allen drei der vorstehend beschriebenen Durchströmungskomponenten, nämlich dem Strömungsumlenkbereich, den Mischkanalabschnitten sowie dem vorstehend beschriebenen Feinmischbereich. Diese Ausführungsvariante wird im Weiteren unter Bezugnahme auf die in den nachfolgenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Allen lösungsgemäßen Mischeranordnungen liegt ein gemeinsames Verfahrenskonzept zugrunde, das sich durch folgende Verfahrensschritte beschreiben lässt:

So gilt es in einem ersten Schritt einen Luftstrom bereitzustellen, der in wenigstens zwei getrennte Strömungskanalabschnitte eingeleitet wird, wobei sich der Luftstrom in jeweils eine Teilströmung aufspaltet und um einen Umlenkwinkel ß aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt wird. Der Luftstrom wird üblicher Weise von einer Verdichtereinheit bereitgestellt und gelangt in ein Plenum, in den sich der neuartige Durchströmungskörper der Mischeranordnung befindet. Stromauf und/oder längs der einzelnen Strömungskanalabschnitte wird zur Ausbildung des gewünschten Brennstoff-Luftgemisches Brennstoff in den Luftstrom eingespeist, für den sowohl Flüssigbrennstoff als auch gasförmiger Brennstoff verwendet werden kann. Somit bildet sich bereits längs der die Strömung umlenkenden Strömungskanalabschnitte ein isokinetisches Brennstoff-Luftgemisch aus, das weitgehend ohne Druckverluste den Strömungsumlenkbereich stromab verlässt.

Um den Durchmischungsgrad des sich ausbildenden Brennstoff-Luftgemisches zu verbessern, werden entweder mit Hilfe geeigneter Strömungswirbel erzeugenden Strukturen den Durchmischungsgrad optimierende Strömungswirbel in die aus dem Strömungsumlenkbereich austretenden Strömung eingebracht, oder aber die aus dem Strömungsumlenkbereich austretende Strömung wird unmittelbar unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Feinmischstruktur homogenisiert und entsprechend zu einem einheitlichen Brennstoff-Luftgemischstrom kanalisiert. Die durch die Feinmischstruktur hervorgerufenen, zwischen den sich koaxial zueinander ausbreitenden Ringströmungen tangential wirkenden Scherkräfte vermögen den Durchmischungsgrad des Brennstoff-Luftgemisches in gleichsam effizienter Weise zu steigern. In bevorzugter Weise werden jedoch beide, den Durchmischungsgrad optimierende Massnahmen in Kombination eingesetzt, d.h. das aus dem Strömungsumlenkbereich austretende Brennstoff-Luftgemisch erfährt zunächst eine makroskalige Verwirbelung im Bereich der Mischkanalabschnitte, bevor das Brennstoff-Luftgemisch in den Feinmischbereich eintritt.

Das lösungsgemäße Verfahren ermöglicht die Ausbildung eines sich längs einer Ausbreitungsachse ausbreitenden, über den gesamten Strömungsquerschnitt homogen durchmischten Brennstoff-Luftgemisches, das überdies über ein isokinetisches Strömungsprofil verfügt, das in bevorzugter Weise für katalytisch betreibbare Brennersysteme einsetzbar ist. Durch die lösungsgemässe Separierung des bereitgestellten Luftstromes in wenigstens zwei, vorzugsweise drei oder vier getrennt umzulenkende Teilströmungen ist es möglich, die Umlenkung der Teilströme weitgehend verlustfrei, d.h. ohne Druckverluste und Strömungsablösungen im Bereich der Umlenkzonen, so dass unmittelbar stromab des Strömungsumlenkbereiches jede einzelne Teilströmung über ein isokinetisches Strömungsprofil verfügt, die jeweils untereinander identisch ausgebildet sind. Die nachfolgenden Massnahmen dienen letztlich der Optimierung und Homogenisierung des Durchmischungsgrades.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Strömungsumlenkung um einen Umlenkwinkel ß von 90° erwiesen, zumal sich in diesem Fall bei einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Durchströmungskörper eine radial auf den Durchströmungskörper gerichtete Luftströmung in einen axial gerichteten Luftstrom umlenken lässt. Dies ermöglicht eine außergewöhnlich kompakte Strömungsführung innerhalb der Mischeranordnung und gestattet zudem die Nachrüstung an bereits bestehende Brenneranordnungen. Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisierte Längsschnittdarstellung durch eine als Durchströmungs¬ körper ausgebildete Mischeranordnung,

Fig. 2 dreidimensionale Darstellung eines Teilbereiches des Strömungs¬ umlenkbereiches mit in Axialrichtung anschliessenden Strömungs¬ kanälen,

Fig. 3a, b perspektivische Darstellungen eines dreidimensional ausgebildeten Durchströmungskörpers mit einem Strömungsumlenkbereich sowie daran anschliessenden Mischkanalabschnitten,

Fig. 4a, b Längs- und Querschnittsdarstellung eines Brennstoffeinspeisungs- mittels,

Fig. 5a, b schematisierte Darstellungen von Wirbel erzeugenden Strukturen längs der Mischkanalabschnitte, sowie

Fig. 6a, b Darstellung einer Feinmischstruktur mit ringförmig angeordneten Strömungskanälen.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Die in Figur 1 schematisiert dargestellte Mischeranordnung zeigt die obere Hälfte eines ansonsten rotationssymmetrisch ausgebildeten Durchströmungskörpers 1 der axial von einer Achse A durchsetzt ist. Es sei angenommen, dass die als ein Durchströmungskörper 1 ausgebildete Mischeranordnung innerhalb eines Plenums P angeordnet ist, in das durch eine Verdichtereinheit (nicht dargestellt) verdichtete Luft eingespeist wird, die im wesentlichen radialwärts zur Achse A durch Lufteintrittsöffnungen 2, 3, 4 in den Durchströmungskörper einströmt. Unmittelbar stromab an die Lufteintrittsöffnungen 2, 3, 4 schließen sich

Strömungskanalabschnitte 5, 6, 7 an, längs der die Teilströmungen um 90° aus ihrer usprünglich radialwärts gerichteten Strömungsrichtung abgelenkt werden. Der Strömungsumlenkbereich 8 vermag somit die radial auf den Durchströmungskörper 1 auftretende Gesamtluftströmung L sowohl in Teilströme aufzuteilen als auch um 90° in eine axialwärts gerichtete Strömungsrichtung umzulenken. Zur Ausbildung eines Brennstoff-Luftgemisches befinden sich im Bereich der Lufteintrittsöffnungen 2, 3, 4 Mittel 9 zur Brennstoffzuführung, die je nach Brennstoffart, ob flüssig oder gasförmig, als entsprechend ausgebildete Brennstoffdüsen vorgesehen sind.

Zur effizienten Durchmischung des sich längs der Strömungskanalabschnitte 5, 6, 7 ausbildende Brennstoff-Luftgemisches ist unmittelbar stromab zum Strömungsumlenkbereich 8 ein den Durchmischungsgrad weiter optimierender Mischkanalbereich 10 vorgesehen, der jeweils an die Strömungskanalabschnitte 5, 6, 7 bündig anschliessende Mischkanalabschnitte 11 , 12, 13 vorsieht, in denen Wirbel erzeugende Strukturen 14 vorgesehen sind, die in den Teilströmen jeweils weitgehend druckverlustfrei Strömungswirbelpaare generieren, die zu einer verbesserten Brennstoffdurchmischung beitragen.

Stromab zum Mischkanalbereich 10 schließt sich der Feinmischbereich 15 an, der, wie im Weiteren noch unter Bezugnahme auf Figur 6 ausgeführt wird, die aus den einzelnen Mischkanalabschnitten 11 , 12, 13 austretenden vordurchmischten Teilströme zu einer sich axialwärts ausbreitenden Gesamtströmung mit einem weiter verbesserten Durchmischungsgrad sowie einem homogenisierten Geschwindigkeitsprofil überführt. Bevorzugt ist die Feinmischstruktur des Feinmischbereiches koaxial stromab zu den Mischkanalabschnitten in einem Bereich beabstandet zu diesen anzuordnen, in dem die durch die Wirbel erzeugenden

Das sich stromab der Mischeranordnung 1 ausbildende Brennstoff-Luftgemisch BL verfügt somit über den gesamten Strömungsquerschnitt über eine homogene Brennstoff-Luftverteilung sowie Geschwindigkeitsverteilung, so dass der nachfolgende, nicht dargestellte Verbrennungsvorgang vollständig ohne Rückstände erfolgen kann. Besonders eignet sich die dargestellte Mischeranordnung zur Ausbildung eines zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches zur Einspeisung in eine Katalysatoranordnung zur weiteren katalytischen Verbrennung.

In Figur 2 ist eine perspektivische Teildarstellung der Strömungskanalabschnitte 5, 6, 7 des Strömungsumlenkbereiches 8 dargestellt. Die die Hauptluftströmung L aus der radial in die Axialrichtung umlenkenden Strömungskanalabschnitte 5, 6, 7 sind jeweils von Strömungskanalwänden begrenzt, die die einzelnen Teilströme weitgehend isokinetisch, d.h. mit konstanter Geschwindigkeit unter Vermeidung jeglicher Druckverluste, umzulenken vermögen. Die Öffnungsgrössen der Lufteintrittsöffnungen 2, 3, 4 sind jeweils an die Krümmung des weiterführenden Strömungskanalabschnittes angepasst, um ein isokinetisches Strömungsverhalten längs der jeweiligen Strömungskanalabschnitte 5, 6, 7 zu gewährleisten. Das Design der einzelnen Strömungskanalwände ist derart gewählt, dass die Austrittsöffnungen der einzelnen Strömungskanalabschnitte 5, 6, 7 jeweils einheitlich groß dimensionierte Austrittsfläche aufweisen, so dass die Strömungsgeschwindigkeit, mit der die einzelnen Teilströmungen die Strömungskanalabschnitte 5, 6, 7 verlassen, jeweils gleich ist, um auf diese Weise zusätzlich zu gewährleisten, dass die durch die einzelnen Strömungskanalabschnitte 5, 6, 7 hindurch tretenden Teilströme jeweils einen jeweils gleichgroßen Massenfluss aufweisen.

Ferner ist ein wesentlicher Aspekt auf die Ausbildung der jeweiligen Krümmungen längs der einzelnen Strömungskanalabschnitte 5, 6, 7 gelegt worden, um Strömungsablösungen längs der Strömungskanalwandabschnitte zu vermeiden. So weist insbesondere der Strömungskanalabschnitt 5, der eine Strömungsumlenkung um 90° längs des kürzesten Strömungsweges vorsieht, eine grossere Lufteintrittsöffnung 4 auf, um zu vermeiden, dass im Bereich der grössten Strömungskanalkrümmung hohe Strömungsgeschwindigkeiten entstehen, die zu Strömungsablösungen längs der Strömungskanalwand führen würden. Durch die grösser gewählte Lufteintrittsöffnung 4 treten lokal im Bereich der grössten Kanalkrümmung im Strömungskanalabschnitt 5 etwas geringere Strömungsgeschwindigkeiten auf, die jedoch durch eine randnahe Beschleunigung der im Kanalabschnitt 5 vorhandenen Strömung wenigstens im Austrittsbereich des Strömungskanalabschnittes 5 mit der gleichen Strömungsgeschwindigkeit austritt, wie die Teilströme in allen anderen Strömungskanalabschnitten.

Zusätzlich durchragt ein Bypasskanal 16 die in Figur 2 dargestellte Strömungskanalanordnung. Auch längs des Bypasskanales 16 kann je nach Bedarf Brennstoff eingespeist werden, zur Ausbildung eines Brennstoff-Luftgemisches, das gleichsam, wie in Figur 1 dargestellt, in den Mischkanalbereich 10 sowie in den Feinmischbereich 15 gelangt.

In den Figuren 3a und 3b, auf die im nachfolgenden gemeinsam bezug genommen wird, ist der rotationssymmetrisch ausgebildete Durchströmungskörper 1 der Mischeranordnung mit dem Strömungsumlenkbereich 8 sowie den daran anschliessenden Mischkanalbereich 10 dargestellt. Der zylinderförmig ausgebildete Durchströmungskörper 1 weist im Durchströmungsbereich 8 in Umfangsrichtung vollständig umlaufend die Lufteintrittsöffnungen 2, 3, 4 auf. Deutlich zu erkennen in der Darstellung gemäss Figur 3b ist die grösser dimensionierte Lufteintrittsöffnung 4, durch die die radialwärts auf den Durchdringungskörper 1 auftreffende Luftströmung auf kürzestem Wege um 90°, d.h. axialwärts umgelenkt wird. Aus der Darstellung gemäss Figur 3a können die einzelnen längs der Mischkanalabschnitte 11 , 12 , 13 vorgesehenen Wirbel erzeugenden Strukturen 14 eingesehen werden, auf die im weiteren noch eingegangen wird. Um isokinetische Strömungsverhältnisse der sich axialwärts ausbreitenden Teilströme zu erhalten, sind die

Strömungskanalquerschnitte der einzelnen Strömungskanalabschnitte 5, 6, 7 bzw. die daran unmittelbar anschliessenden Mischkanalabschnitte 11 , 12, 13 jeweils gleich dimensioniert.

Die in Figur 3a und b dargestellte Bauform lässt die äusserst kompakte Ausbildung der Mischeranordnung deutlich erkennen, durch die eine leichte Integration in bereits bestehende Brenneranordnungen möglich ist.

Zur Brennstoffeinspeisung sind im Bereich der Lufteintrittsöffnungen axialwärts gerichtete Strömungsprofilstreben 17 vorgesehen, die jeweils in Umfangsrichtung des Durchdringungskörpers 1 gleich verteilt angeordnet sind und in denen zur Brennstoffeinspeisung Brennstoffdüsen vorgesehen sind. Eine Detaildarstellung einer derartigen Strömungsprofilstrebe 17 ist in Figur 4a und b dargestellt. Figur 4a zeigt einen Längsschnitt durch eine derartige Strömungsprofilstrebe 17, längs der sich eine axialwärts gerichtete Bohrung 18 erstreckt, die jeweils im Bereich der Lufteintrittsöffnungen seitliche Brennstoffdüsenöffnungen 19 vorsieht. In Figur 4b sind jeweils Schnittbilder längs der Schnittlinien AA, BB sowie CC dargestellt. Deutlich zu erkennen sind die jeweils in Umfangsrichtung orientierten Brennstoffdüsenöffnungen 19, durch die jeweils Brennstoff in zwei in Umfangsrichtung unmittelbar benachbarten Lufteintrittsöffnungen eingespeist werden kann.

Die Brennstoffeindüsung in die jeweiligen Lufteintrittsöffnungen erfolgt unter Massgabe einer optimierten Einspeisungstiefe sowie Zerstäubungsrate. So gilt es die Brennstoffeinspeisung unter Beachtung eines möglichst geringen Druckverlustes innerhalb der die Lufteintrittsöffnungen passierenden Luftströmung vorzunehmen.

Um zu gewährleisten, dass sich innerhalb jedes einzelnen Teilstromes ein exakt identisches Brennstoff-Mischungsverhältnis ausbildet, ist die Dimensionierung des Brennstoffzuleitungskanals 18 sowie die Brennstoffdüsenöffnungen 19 geeignet zu wählen, so dass in jeder einzelnen Lufteintrittsöffnung ein exakt gleicher Brennstoffmassenstrom eingespeist wird. In geeigneter weise ist die Anzahl der Brennstofföffnungen, ihre Orientierungen sowie Öffnungsgrössen geeignet zu wählen, um die Brennstoffverteilung möglichst gleichmässig zu gestalten und insbesondere Brennstoffkonzentrationsanreicherungen nahe der Strömungskanalwände zu vermeiden. Für den Eintrag von gasförmigen Brennstoff haben sich Brennstofföffnungen mit Durchmesser zwischen 0,5 und 3 mm als günstig erwiesen.

Um die durch die Lufteintrittsöffnungen eintretende Luftströmung möglichst wenig zu irritieren, sind die Strömungsprofilstreben aerodynamisch günstig ausgebildet und weisen eine sich in Strömungsrichtung verjüngende Kontur auf, die durch den Profilwinkel α bestimmt ist (siehe hierzu Figur 4b). Das Design der Strömungsprofilstreben ist unter Massgabe einer möglichst geringen Strömungsirritation sowie -blockade ausgelegt. Hierbei gilt es insbesondere Strömungsstauzonen sowie auch Rückströmzonen im Bereich der Strömungsprofilstreben zu vermeiden.

Ebenfalls könnte erwogen werden, zusätzliche Brennstoffeinspeisungsstellen längs der Strömungskanalabschnitte 5, 6, 7 vorzusehen, insbesondere im Bereich der die grössten Krümmungen aufweisenden Strömungskanalwände. Dies jedoch erfordert aufwendige Brennstoffkanalzuleitungen, die dem Erfordernis nach einer möglichst einfachen Ausbildung der Mischeranordnung zuwiderlaufen.

Um den Durchmischungsgrad des sich durch die Brennstoffeinspeisung ausbildenden Brennstoff-Luftgemisches, das sich längs der einzelnen Strömungskanalabschnitte 5, 6, 7 beginnt auszubilden, zu verbessern, sorgen Wirbel erzeugende Strukturen 14, die längs sich an den Strömungskanalabschnitten 5, 6, 7 stromab anschliessenden Mischkanalabschnitten 11 , 12, 13 vorgesehen sind (siehe hierzu Figuren 5a und 5b). Die Wirbel erzeugenden Strukturen 14 verfügen se über eine keilförmige Kontur, die sich in Strömungsrichtung

erweitert. Die Wirbelgeneratoren 14 vermögen grossskalige Wirbelpaare W weitgehend ohne Druckverlust und Rezirkulationszonen auszubilden, wie dies insbesondere aus der Teilquerschnittsdarstellung in Figur 5b durch die einzelnen Mischkanalabschnitte 11 , 12 und 13 zu entnehmen ist. Besonders bevorzugte Wirbel erzeugende Strukturen 14 weisen eine maximale Strukturhöhe von 0,3 bis 0,8 der Mischkanalhöhe H auf. Bevorzugte Längen- und Höhenverhältnisse der einzelnen Strukturen liegen zwischen 1 ,4 bis 3,5 wobei die Strukturen über einen Keilwinkel zwischen 10° und 30° verfügen. Detailliertere Einzelheiten hierzu können der US 5, 577,378 entnommen werden.

Die einzelnen aus den jeweiligen Mischkanalabschnitten 11 , 12, 13 austretenden, ringförmigen Teilströme fügen sich stromab des Mischkanalabschnittes 10 zu einer zylinderförmig ausgebildeten Gesamtströmung zusammen, die für sich genommen bereits über einen hohen homogenen Durchmischungsgrad sowie über ein homogenes Geschwindigkeitsprofil verfügt. Um das sich in diesem Stadium ausbildende Brennstoff-Luftgemisch einer weiteren Durchmischung zuzuführen, sieht gemäss Bilddarstellung in Figur 1 die lösungsgemässe Mischeranordnung einen Feinmischbereich 15 vor, der sich stromab zum Mischkanalbereich 10 anschliesst. Eine derartige, die Feinmischung vornehmende Anordnung ist in den Figuren 6a und 6b zu entnehmen. Die sich bündig stromab an den Mischkanalbereich 10 anschliessende Feinmischstruktur verfügt über eine Vielzahl einzelner, in konzentrischen Ringbereichen 20, 21 , 22 angeordnete Strömungskanäle 23, deren Strömungskanalquerschnitte sehr viel kleiner bemessen sind, als jene der einzelnen Mischkanalabschnitte 11 , 12, 13. So weisen die Strömungskanäle 23 typische Strömungskanaldurchmesser in der Grössenordnung zwischen 0,5 und 5 mm, vorzugsweise 1 mm, auf. Die Längsrichtung der einzelnen Strömungskanäle 23 ist gegenüber der axialen Durchströmungsrichtung A (siehe Fig. 5a) unter einem Winkel + δ angestellt, wobei sich das Vorzeichen des Anstellwinkels zwischen zwei unmittelbar radial benachbarten Ringbereichen 20, 21 abwechselt. In Figur 5 a ist lediglich der Winkel +δ gegenüber der Strömungsachse A angegeben. Mit Hilfe der der Feinmischstruktur ergeben sich zusammenfassend folgende positive Auswirkungen auf die die Anordnung durchsetzende Strömung:

Durch die pro Ringbereich versetzt angeordnete

Strömungskanallängsorientierung werden tangential zur Strömungsrichtung orientierte Scherkräfte zwischen den einzelnen stromab des Feinmischbereiches austretenden ringförmigen Strömungsfelder induziert, wodurch sich in radial alternierender Abfolge die Wirbelrichtung zwischen den Strömungen ändert. Eine sich homogen ausbildende Brennstoffverteilung ist die Folge.

Darüber hinaus trägt die vielkanalartige, monolithische Feinmischstruktur dazu bei, das austretende Brennstoff-Luftgemisch zu kanalisieren, d.h. die Ausbreitungsrichtung zu vereinheitlichen, wobei das axiale Geschwindigkeitsprofil der sich ausbildenden Strömung deutlich vereinheitlicht wird. Auch verhelfen die kleindimensionierten Strömungskanäle 23 jegliche Rückzündungsgefahr durch die Feinmischeranordnung aufgrund von Quenching-Effekt sowie der Ausbildung von Scherschichten stromab zur Feinmischstruktur zu vermeiden. Bezugszeichenliste

Durchströmungskörper, Mischeranordnung , 3, 4 Lufteintrittsöffnungen , 6, 7 Strömungskanalabschnitt Strömungsumlenkbereich Mittel zur Brennstoffzuführung 0 Mischkanalbereich 1 , 12, 13 Mischkanalabschnitt 4 Wirbel erzeugende Struktur 5 Feinmischbereich 6 Bypasskanal 7 Strömungsprofilstrebe 8 Brennstoffzuleitungskanal 9 Brennstoffdüsenöffnung 0, 21 , 22 Ringbereich 3 Strömungskanal

Claims

Patentansprüche

1. Mischeranordnung zur Ausbildung eines Brennstoff-Luftgemisches, die mit einer Brenneranordnung einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer

Gasturbinenanlage, kombinierbar ist, mit einem Durchströmungskörper (1 ), der wenigstens eine Lufteintrittsöffnung (2), wenigstens eine Strömungsaustrittsöffnung, einen die Lufteintrittsöffnung (2) mit der Strömungsaustrittsöffnung verbindenden

Strömungskanal (5) sowie wenigstens eine im Bereich der Lufteintrittsöffnung (2) und/oder längs des Strömungskanals (5) angeordnete Brennstoffzuführung (18) vorsieht, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchströmungskörper (1 ) einen

Strömungsumlenkbereich (8) vorsieht, der wenigstens zwei Lufteintrittsöffnungen (2,

3, 4) vorsieht, an die sich jeweils ein Strömungskanalabschnitt (5, 6, 7) anschließt, der eine in den jeweiligen Strömungskanalabschnitt (5, 6, 7) eintretende

Luftströmung um einen Umlenkwinkel ß ≠ 0° ablenkt und jeweils eine Austrittsöffnung aufweist, und dass an die Austrittsöffnungen der Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7) jeweils ein

Mischkanalabschnitt (11 , 12, 13) anschließt, in dem jeweils wenigstens eine

Strömungswirbel erzeugende Struktur (14) vorgesehen ist und der jeweils eine

Austrittsöffnung vorsieht, oder dass sich an die Austrittsöffnungen der Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7) ein

Feinmischbereich (15) anschließt, der über eine Vielzahl einzelner Strömungskanäle

(23) verfügt, die jeweils einen Kanalquerschnitt aufweisen, der kleiner bemessen ist als der Kanalquerschnitt der Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7) im Bereich ihrer

Austrittsöffnungen, oder dass an die Austrittsöffnungen der Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7) jeweils ein

Mischkanalabschnitt (11 , 12, 13) anschließt, in dem jeweils wenigstens eine

Strömungswirbel erzeugende Struktur (14) vorgesehen ist und der jeweils eine

Austrittsöffnung vorsieht, an die der Feinmischbereich (15) anschließt, der über eine

Vielzahl einzelner Strömungskanäle (23) verfügt, die jeweils einen Kanalquerschnitt aufweisen, der kleiner bemessen ist als der Kanalquerschnitt der Mischkanalabschnitte (11 , 12, 13) im Bereich ihrer Austrittsöffnungen.

2. Mischeranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen der Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7) über gleich grosse Öffnungsflächen verfügen.

3. Mischeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7) unter Massgabe isokinetischer Durchströmungsverhältnisse ausgebildet sind.

4. Mischeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Umlenkwinkel ß gilt: 90° < ß < 180°.

5. Mischeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Lufteintrittsöffnungen jeweils wenigstens eine Brennstoffzuführung (19) vorgesehen ist, durch die Brennstoff senkrecht zur durch die Lufteintrittsöffnung eintretende Luftströmung ausbringbar ist.

6. Mischeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführungen als Brennstoffdüsen (19) zum Austrag von Flüssigbrennstoff oder gasförmigen Brennstoff ausgebildet sind.

7. Mischeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen der Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7) in einer gemeinsamen Ebene liegen, und dass die aus den Strömungskanalabschnitten (5, 6, 7) austretenden Strömungen parallel zueinander gerichtet sind.

8. Mischeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchströmungskörper (1 ) in Art eines

Hohlzylinders ausgebildet ist mit in Umfangsrichtung verlaufenden, radialwärts gerichteten Lufteintrittsöffnungen (2, 3, 4), die axialwärts voneinander separiert sind, an die sich ins Innere des Durchströmungskörpers (1 ) erstreckend die Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7) anschließen, die jeweils von Kanalwänden begrenzt sind, die im Anschluss an den Lufteintrittsöffnungen (2, 3, 4) derart gekrümmt ausgebildet sind, dass die Austrittsöffnungen der Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7) jeweils axialwärts orientiert sind.

9. Mischeranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7) koaxial zueinander angeordnet sind und zumindest im Bereich der sich axialwärts erstreckenden Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7) jeweils einen ringförmigen Strömungskanalquerschnitt aufweisen.

10. Mischeranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass den Durchströmungskörper (1 ) mittig und/oder aussermittig wenigstens ein Bypasskanal (16) axial durchsetzt.

11. Mischeranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lufteintrittsöffnungen (2,3, 4) in axialer Erstreckung von Strömungsprofilstreben (17) durchsetzt sind, die in Umfangsrichtung des Durchdringungskörpers (1 ) gleich verteilt angeordnet sind, und dass in den Strömungsprofilstreben (17) Brennstoffdüsen (19) vorgesehen sind.

12. Mischeranordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (19) derart angeordnet sind, dass der Brennstoffaustrag im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der in die Lufteintrittsöffnungen (2, 3, 4) eintretenden Luftströmung ist.

13. Mischeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkanalabschnitte (11 , 12, 13) bündig an die

Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7) anschließen.

14. Mischeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungswirbel erzeugende Struktur (14) eine sich keilförmig in Strömungsrichtung erweiternde Geometrie aufweist mit einer Keillänge I, einer Keilhöhe h sowie einem Keilwinkel v, für die gilt: 1 ,4 < l/h < 3,5 und 10° < γ < 30°

15. Mischeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl einzelner Strömungskanäle (23) im Feinmischbereich (15) gruppenweise jeweils in koaxial zueinander angeordneten und jeweils radial zueinander beabstandeten Ringbereichen (20, 21 , 22) angeordnet sind.

16. Mischeranordnung nach Anspruch 15 sowie nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (23) pro Ringbereich (20, 21 , 22) gegenüber der Axialrichtung (A) einheitlich einen Winkel +δ oder -δ einschließen, mit 0° < δ < 45°.

17. Mischeranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (23) eines Ringbereiches (20, 21 , 22) einen Winkel +δ mit der Axialrichtung (A) einschließen, und dass die Strömungskanäle (23) unmittelbar radial benachbarter Ringbereiche (20, 21 , 22) einen Winkel -δ mit der Axialrichtung (A) einschließen.

18. Mischeranordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (23) jeweils einen Strömungsdurchmesser in der Größenordnung von 0,5 - 5 mm aufweisen.

19. Mischeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl einzelner Strömungskanäle (23) im Feinmischbereich (15) stromab den Mischkanalabschnitten (11 , 12, 13) nach weitgehendem Auflösen der durch die Wirbel erzeugende Struktur (14) hervorgerufenen Strömungswirbel angeordnet ist.

20, Mischeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7), die Mischkanalabschnitte (11 , 12, 13) sowie die im Feinmischbereich (15) vorgesehenen Strömungskanäle (23) von Kanalwänden begrenzt sind, längs der keine Strömungsablösende Konturen oder Kanalkrümmungen vorhanden sind, durch die Stau-, Rückström- oder Totwasserzonen hervorgerufen werden.

21 , Verfahren zum Mischen eines Brennstoff-Luftgemisches, das zur Befeuerung eines Brenner dient, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Bereitstellen eines Luftstromes, der in wenigstens zwei

Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7)eingeleitet wird, in denen sich der Luftstrom in jeweils eine Teilströmung aufspaltet und um einen Umlenkwinkel ß aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt wird,

Einspeisen von Brennstoff stromauf und/oder längs der

Strömungskanalabschnitte (5, 6, 7) in den Luftstrom zur Ausbildung eines Brennstoff- Luftgemisches,

Einbringen von Strömungswirbeln innerhalb des sich längs der Strömungskanäle ausbreitenden Luft-Brennstoffgemisches und/oder Homogenisieren und Kanalisieren des Luft-Brennstoffgemisches.

22, Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom unter Ausbildung eines Brennstoff- Luftgemisches aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung um wenigstens 90° abgelenkt wird.

23, Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das sich ausbildende Brennstoff-Luftgemisch längs voneinander getrennter Strömungskanäle (11 , 12, 13) geführt wird, innerhalb der die Teilströmungen mittels verlustlos arbeitender Wirbelgeneratoren (14) verwirbelt werden.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Homogenisieren und Kanalisieren die einzelnen innerhalb der Strömungskanäle geführten Teilströme des Brennstoff- Luftgemisches zu einer einheitlichen Gesamtströmung zusammengeführt werden.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Homogenisieren und Kanalisieren unter Einsatz einer Vielzahl einzelner Strömungskanäle (23) erfolgt, deren Strömungsquerschnitte kleiner bemessen sind als die Strömungskanalabschnitte.