DE10164099A1

DE10164099A1 - Brenner mit gestufter Brennstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE10164099A1
Application number: DE10164099A
Authority: DE
Inventors: Peter Flohr; Christian Oliver Paschereit
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-12-24
Filing date: 2001-12-24
Publication date: 2003-07-03
Also published as: EP1463911B1; US20060154192A1; EP1463911A1; WO2003056241A1; US7241138B2

Abstract

Bei einem Brenner (1) mit einem von wenigstens einer Schale (8, 9) umschlossenen Innenraum (22), bei welchem Brenner (1) Brennstoff durch an den Brennerschalen (8, 9) angeordnete Brennstoffdüsen (6) in einem im Innenraum (22) strömenden Verbrennungsluftstrom (23) eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer Verzugszeit (Ð) zu einer Flammfront (3) in einen Brennraum (2) strömt und dort entzündet, wird die Ausbildung von verbrennungsgetriebenen thermoakustischen Schwingungen dadurch vermieden, dass von der Brennerbasis (27) im Wesentlichen in Richtung des Brennraums (2) in den Innenraum (22) ragende Mittel (24) angeordnet sind, welche eine Eindüsung von Brennstoff über wenigstens zwei über die Länge der Mittel (24) verteilte Brennstoffeindüsungslöcher (25) in den Verbrennungsluftstrom (23) erlauben, sodass die Verzugszeit (Ð) zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammenfront (3) einer Verteilung (12) entspricht, welche verbrennungsgetriebene Schwingungen im Vormischbetrieb vermeidet.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner, z. B. einen Doppelkegelbrenner, mit besonderer Einspritzung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom, bei welcher die Ausbildung von thermoakustischen Schwingungen weitgehend vermieden wird. Ausserdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstofflanze für einen derartigen Brenner sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners, welches die Ausbildung von thermoakustischen Schwingungen vermindert.

STAND DER TECHNIK

Bei Brennern, welche flüssigen oder gasförmigen Brennstoff einem Brennraum zuführen, wo der Brennstoff an einer Flammfront verbrennt, treten häufig sogenannte thermoakustische Schwankungen auf. Dies insbesondere dann, wenn die Brenner mit hohen Luftzahlen betrieben werden. So auch z. B., aber nicht ausschliesslich, beim sehr erfolgreich eingesetzten sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er in der EP 0 321 809 beschrieben ist. Ebenfalls treten derartige thermoakustische Vibrationen bei Vormischbrennern mit nachgeschalteter Mischstrecke, wie sie beispielsweise in der EP 0 704 657 beschrieben werden, auf. Neben der strömungstechnischen Stabilität sind Mischungsbruchschwankungen ein Hauptgrund für das Auftreten von derartigen thermoakustischen Instabilitäten. Strömungsmechanische Instabilitätswellen, die am Brenner entstehen, führen zur Ausbildung von Wirbeln (kohärente Strukturen), die die Verbrennung beeinflussen und zu periodischer Wärmefreisetzung mit den damit verbundenen Druckschwankungen führen können. Die fluktuierende Luftsäule im Brenner führt zu Schwankungen im Mischungsbruch mit den damit verbundenen Schwankungen in der Wärmefreisetzung. Solche Schwankungen können ausserdem durch alternierende Flammenfrontpositionen hervorgerufen werden.

Ein weiterer Anregungsmechanismus für thermoakustische Schwingungen ist gegeben, wenn bei richtiger Phasenlage (das sogenannte Rayleigh Kriterium muss erfüllt sein, siehe unten) lokale Schwankungen in der Wärmefreisetzung mit Schwankungen im Mischungsbruch über die fluktuierende Luftsäule im Brenner gekoppelt sind.

Häufig sind in solchen Brennern mehrere Brennstoffeinspritzdüsen vorgesehen, die in Gruppen angeordnet sind, um so in verschiedenen Lastbereichen eine stabile Verbrennung zu gewährleisten, z. B. besondere Pilotierungsdüsen für den unteren Lastbereich. Dabei kann sich die Flammenlage je nach Art der Pilotierung deutlich verschieben, und in einem solchen Fall kann es in Übergangsbereichen zu thermoakustischen Schwankungen auch durch periodische Veränderung der Flammenfrontpositionen kommen.

Diese thermoakustischen Schwingungen stellen eine Gefahr für jede Art von Verbrennungsanwendung dar. Sie führen zu Druckschwingungen hoher Amplitude, zu einer Einschränkung des Betriebsbereiches und können die Schadstoffemissionen erhöhen. Dies trifft insbesondere für Verbrennungssysteme mit geringer akustischer Dämpfung zu, wie z. B. Ringbrennkammern mit schallharten Wänden. Um in Bezug auf Pulsationen und Emissionen eine hohe Leistungskonversion über einen weiten Betriebsbereich zu ermöglichen, kann eine aktive Kontrolle der Verbrennungsschwingungen notwendig sein.

Kohärente Strukturen spielen eine entscheidende Rolle bei Mischungsvorgängen zwischen Luft und Brennstoff. Die Dynamik dieser Strukturen beeinflusst demzufolge die Verbrennung und damit die Wärmefreisetzung. Durch Beeinflussung der Scherschicht zwischen dem Frischgasgemisch und dem rezirkulierten Abgas ist eine Kontrolle der Verbrennungsinstabilitäten möglich (z. B. Paschereit et af., 1998, "Structure and Control of Thermoacoustic Instabilities in a Gas-turbine Burner", Combustion, Science & Technology, Vol. 138, 213-232). Eine Möglichkeit dazu ist die akustische Anregung (EP 0 918 152 Al).

Durch Brennstoffstaging lässt sich die Flammenposition beeinflussen und damit der Einfluss von Strömungsinstabilitäten als auch Zeitverzugseffekten vermindern (z. B. in der EP 0 999 367 A1 beschrieben).

Ein weiterer Mechanismus, der zu thermoakustischen Schwingungen führen kann, sind Schwankungen im Mischungsbruch zwischen Brennstoff und Luft.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen Brenner, Mittel zur Eindüsung von Brennstoff in einen Brenner, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners anzugeben, bei welchem das Auftreten derartiger thermoakustischer Schwingungen vermindert oder sogar vermieden wird.

Es handelt sich dabei um einen Brenner mit einem von wenigstens einer Schafe umschlossenen Innenraum, bei welchem Brenner Brennstoff durch an den Brennerschalen angeordnete Brennstoffdüsen in einen im Innenraum strömenden Verbrennungsluftstrom eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer Verzugszeit zu einer Flammfront in einen Brennraum strömt, und dort entzündet.

Bei einem derartigen Brenner werden thermoakustische Schwingungen erfindungsgemäss verringert oder sogar ganz vermieden, indem von der Brennerbasis im wesentlichen in Richtung des Brennraums in den Innenraum ragende Mittel angeordnet sind, welche eine Eindüsung von Brennstoff über wenigstens zwei über die Länge der Mittel verteilte Brennstoffeindüsungslöcher in den Verbrennungsluftstrom erlauben, sodass die Verzugszeit zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammenfront einer, insbesondere systematisch variierenden, Verteilung entspricht, welche verbrennungsgetriebene Schwingungen im Vormischbetrieb vermeidet. Beim eingedüsten Brennstoff kann es sich dabei um flüssigen oder gasförmigen Brennstoff handeln.

Bei einem konventionellen Brenner ist erfahrungsgemäss für alle der über die Brennerlänge verteilten Brennstoffdüsen die Verzugszeit τ zwischen Eindüsungsort und effektiver Verbrennung an der Flammfront im wesentlichen gleich. Man findet eine von, der Eindüsungsposition unsystematische leichte Variation um einen Mittelwert. Dies führt dazu, dass sich thermoakustische Schwingungen leicht aufbauen können. Der Kern der Erfindung besteht nun also darin, den Brennstoff derart über im Innenraum angeordnete Mittel in den Verbrennungsluftstrom einzudüsen, dass sich keine im wesentlichen für alle über die Brennerlänge verteilten Brennstoffdüsen gleiche Verzugszeit τ zwischen Eindüsungsort und effektiver Verbrennung an der Flammfront einstellt, sondern dass die Verzugszeit eine über die Brennerlänge insbesondere systematisch variierende Verteilung annimmt.

Ein erste bevorzugte Ausführungsform des Brenners zeichnet sich dadurch aus, dass es sich bei den Mitteln um eine Brennstofflanze handelt, welche im wesentlichen auf der Achse des Brenners angeordnet ist, und welche insbesondere entlang ihrer Oberfläche Brennstoffeindüsungslöcher aufweist. Bevorzugt weist dabei die Brennstofflanze einen im wesentlichen zylindrischen Querschnitt auf, wobei die Brennstoffeindüsungslöcher sowohl in Bezug auf die Länge der Brennstofflanze als auch in Bezug auf deren umfangsmässige Anordnung auf der Brennstofflanze verteilt sind. Über dieses zentrale, in den Innenraum ragende Rohr, welches z. B. aus koaxial ineinander verschachtelten Rohren, gebildet werden kann, kann in einfacher und effizienter Weise die gestufte Eindüsung vorgenommen werden. Wenn koaxial ineinander verschachtelte Rohre Anwendung finden, so kann z. B. im zentralen Rohr mit kleinstem Durchmesser der Pilotbrennstoff (gasförmig oder flüssig) zugeführt werden, da typischerweise eine Pilotdüse an der Spitze der Lanze angeordnet ist, und im äussersten Zwischenraum zwischen dem Rohr mit grössten Durchmesser und dem nächstinnenliegenden Rohr der Brennstoff, welcher im Vormischbetrieb durch die Brennstoffeindüsungslöcher in den Innenraum eingedüst werden soll. Mit anderen Worten kann vorteilhafterweise als Brennstofflanze die häufig bereits vorhandene Pilotlanze, welche für den pilotierten Betrieb des Brenners vorgesehen ist, nach leichter Modifikation zur Eindüsung von Brennstoff in gestufter Weise beim Vormischbetrieb verwendet werden. Dazu eignet sich insbesondere eine verlängerte Pilotlanze, wie sie beispielsweise in den Schriften EP 0 778 445 für den Fall eines Doppelkegelbrenners und in WO 93/17279 sowie EP 0 833 105 für Vormischbrenner ohne resp. mit nachgeschalteter Mischstrecke beschrieben werden.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Mittel eine in den Innenraum ragende Länge auf, welche im Bereich der halben bis zur ganzen Länge der Vormischstrecke des Brenners liegt. Im wesentlichen ist die Länge der Brennstofflanze durch die Länge von Lanzenbasis bis zur Flammenposition in der Brennkammer im Vormischbetrieb beschränkt. Je weiter die Brennstofflanze in den Innenraum des Brenners hineinragt, desto weitere Verteilungen der Verzugszeit können erzielt werden. Je mehr Brennstoff im Verhältnis zum beispielsweise an Lufteintrittsschlitzen eingedüsten Brennstoff in verteilter Weise über die Brennstofflanze in den Verbrennungsluftstrom eingebracht werden kann, desto effizienter lassen sich thermoakustische Schwingungen vermeiden.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich beim Brenner um einen Kegelbrenner, insbesondere um einen Doppelkegelbrenner, bei welchem der Brenner aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörpern, welche in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen, und welche Teilkegelkörper zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die Verbrennungsluft durch einen Spalt zwischen den Teilkegelkörpern in den Innenraum strömt, gebildet wird. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemässe Konzept bei Brennern, wie sie beispielsweise in der EP 0 321 809, der EP 0 881 432 oder in ganz allgemeiner Form in der EP 0 210 462 beschrieben sind, Anwendung finden. In Bezug auf die Bauweise und die Geometrie eines Doppelkegelbrenners soll der Gegenstand der drei genannten europäischen Patentschriften in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung explizit eingeschlossen sein.

Gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um einen Vierschlitzbrenner, welcher insbesondere über eine stromab des Vierschlitzbrenners angeordnete nachgeschaltete Mischstrecke verfügt. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemässe Konzept bei einem Brenner, wie er beispielsweise in der EP 0 704 657 oder in der EP 0 780 629 beschrieben ist, Anwendung finden. In Bezug auf die Bauweise und die Geometrie eines Kegelbrenners mit nachgeschalteter Mischstrecke soll auch der Gegenstand dieser zwei genannten europäischen Patentschriften in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung explizit eingeschlossen sein.

Eine andere Ausführungsform des Brenners ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeindüsungslöcher in Gruppen aufgeteilt sind, wobei jeweils eine Gruppe von Brennstoffeindüsungslöchern derart angeordnet ist, dass alle Düsen der Gruppe einen bestimmten Bereich der Flammfront mit unterschiedlichem Zeitverzug speisen. Typischerweise ist es zum Beispiel möglich, an den Mitteln insgesamt 2n Brennstoffeindüsungslöcher vorzusehen, welche insbesondere in n Gruppen mit je 2 Düsen aufgeteilt sind und als Gruppen individuell angesteuert werden können.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Brenners sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstofflanze für einen Vormischbrenner mit einem von wenigstens einer Schale umschlossenen Innenraum, bei welchem Brenner Brennstoff durch an den Brennerschalen angeordnete Brennstoffdüsen in einen im Innenraum strömenden Verbrennungsluftstrom eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer Verzugszeit zu einer Flammfront in einen Brennraum strömt, und dort entzündet, wobei sich diese Brennstofflanze dadurch auszeichnet, dass sie in von der Brennerbasis im wesentlichen in Richtung des Brennraums in den Innenraum ragender Weise in den Brenner eingebaut werden kann, und dass die Brennstofflanze eine Eindüsung von Brennstoff über wenigstens zwei über ihre Länge verteilte Brennstoffeindüsungslöcher in den Verbrennungsluftstrom erlauben, sodass die Verzugszeit zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammenfront einer Verteilung entspricht, welche verbrennungsgetriebene Schwingungen im Vormischbetrieb des Brenners vermeidet. Dieses zentrale, in den Innenraum ragende Rohr kann dabei, wie bereits oben erwähnt, als koaxial ineinander verschachtelte Rohre ausgebildet werden. Wenn derart koaxial ineinander verschachtelte Rohre Anwendung finden, so kann z. B. einfach im äussersten Zwischenraum zwischen dem Rohr mit grösstem Durchmesser (äusserstes Rohr) und dem nächstinnenliegenden Rohr der Brennstoff (gasförmig oder flüssig), welcher im Vormischbetrieb durch die Brennstoffeindüsungslöcher in den Innenraum eingedüst werden soll, geführt werden.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstofflanze handelt es sich bei dieser um eine Pilotlanze, welche zusätzlich im Pilotbetrieb zur Erzeugung einer Pilotflamme benutzt werden kann, wobei im Pilotbetrieb insbesondere eine Pilotflamme in Form einer Diffusionsflamme erzeugt werden kann, welche im Bereich der im Vormischbetrieb erzeugten Flamme lokalisiert ist. Mit anderen Worten befindet sich bei einer derartigen Pilotlanze die Düse für den Pilotbrennstoff an der Spitze der Lanze, das heisst in jenem Bereich, welcher dem Brennraum am nächsten liegt. Bei einer Bauweise aus koaxialen Rohren, wie sie weiter oben beschrieben ist, kann dabei vorteilhafterweise das innerste Rohr mit kleinstem Durchmesser für die Zuführung des Pilotbrennstoffs verwendet werden, da so am einfachsten der Brennstoff zu Spitze der Lanze geführt werden kann.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Brennstofflanze sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die vorliegende Erfindung betrifft ausserdem ein Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff in einen Brenner, welcher Brenner einen von wenigstens einer Schale umschlossenen Innenraum umfasst, bei welchem Brennstoff durch Brennstoffdüsen in einen im Innenraum strömenden Verbrennungsluftstrom eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer Verzugszeit zu einer Flammfront in einen Brennraum strömt, und dort entzündet. Das Verfahren zeichnet sich dabei dadurch aus, dass der Brennstoff wenigstens teilweise mittels von der Brennerbasis im wesentlichen in Richtung des Brennraums in den Innenraum ragende Mittel, welche eine Eindüsung von Brennstoff über wenigstens zwei über die Länge der Mittel verteilte Brennstoffeindüsungslöcher in den Verbrennungsluftstrom erlauben, eingedüst wird, sodass die Verzugszeit zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammenfront einer Verteilung entspricht, welche verbrennungsgetriebene Schwingungen im Vormischbetrieb vermeidet. Typischerweise liegt dabei der maximale Zeitverzug (τ_max) zwischen Eindüsungsort und Flammfront im Bereich von τ_max = 5-50 ms, und bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Gemisches im Innenraum im Bereich von 20-50 m/s liegt der maximale Zeitverzug (τ_max) im Bereich von τ_max = 5-15 ms.

Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird der Brennstoff derart eingedüst, dass die Zeitverzugsverteilung über die Brennerlänge zum Brennerende hin vom Maximalwert τ_max um eine maximale Verzugsdifferenz Δτ im wesentlichen linear abnehmend zu einem Minimalwert beim Brennerende von τ_max-Δτ gestaltet ist. Bevorzugt liegt die Verzugsdifferenz Δτ im Bereich von 10-90% des Maximalwerts τ_max, insbesondere im Bereich von mehr als 50% des Maximalwerts τ_max.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die vorliegende Erfindung betrifft zusätzlich die Verwendung eines erfindungsgemässen Brenners, insbesondere bevorzugt unter Verwendung einer erfindungsgemässen Brennstofflanze, zur Durchführung eines Verfahrens wie es oben beschrieben ist.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1a) einen konventionellen Doppelkegelbrenner mit typischer Brennstoffeindüsung;

Fig. 1b) die bei einem Brenner nach Fig. 1a) auftretende schematisierte Verzugszeitverteilung über die Brennerlänge;

Fig. 2 eine lineare Verzugszeitverteilung;

Fig. 3 eine zweidimensionale Stabilitätsanalyse von Verzugszeitverteilungen;

Fig. 4 einen Doppelkegelbrenner mit im Innenraum des Brenners angeordneten Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff; und

Fig. 5 einen Vierschlitzbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke mit im Innenraum des Brenners angeordneten Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Beeinflusst man den Zeitverzug zwischen der Brennstoffeindüsung und der periodischen Wärmefreisetzung, d. h. der Flammfront, kann man die Verbrennungsinstabilitäten kontrollieren. Der Grundgedanke der Erfindung ist, den Zeitverzug τ zwischen der periodischen Wärmefreisetzung an der Flammfront und der Druckschwankung bei der Eindüsung zu stören, so dass das Rayleigh-Kriterium

nicht mehr erfüllt ist, d. h. Wärmefreisetzung und Druckmaximum nicht mehr in Phase sind. Damit ist ein wesentlicher treibender Mechanismus für die Anregung von thermoakustischen Schwingungen unterbunden, da sonst bei entsprechendem Zeitverzug bzw. entsprechender Phasenlage die Druckfluktuationen an der Brennstoffeindüsung zu Variationen im Mischungsbruch und damit zu fluktuierender Wärmefreisetzung führen können. Die Darstellung des Rayleigh-Kriteriums nach Fouriertransformation im Frequenzbereich zeigt diesen Zusammenhang noch deutlicher:

G(χ) = 2 ∫ |S_pq(x, f)|cos(φ_pq)df

wobei S_pq (x, f) das Kreuzspektrum zwischen Druckfluktuationen p' (x, t) und Fluktuationen der Wärmefreisetzung q' (x, t) darstellt und φ_pq die Phasendifferenz. Durch Wahl der korrekten Phasendifferenz zwischen Wärmefreisetzung (beeinflussbar durch den Zeitverzug) und dem Drucksignal kann der Rayleigh-Index auf G(x) < 0 eingestellt werden und damit ist das System gedämpft.

Es zeigt sich nun, dass der Zeitverzug vom Eindüsungsort bei den Brennstoffdüsen bis zur Flammfront bei bestehenden Vormischbrennern über die gesamte Eindüsungslänge des Vormischgases in bestimmten Betriebspunkten konstant ist. So z. B. bei einem Doppelkegelbrenner nach dem Stand der Technik wie in Fig. 1a) dargestellt.

In diesem beispielhaft zu verstehenden Längsschnitt durch einen Doppelkegelbrenner 1, wie er z. B. aus der EP 0 321 809 bekannt ist, ist der obere Spalt 7 zwischen den beiden konischen Brennerschalen 8 und 9 erkennbar. Die Verbrennungsluft 23 tritt durch diesen Spalt 7 an den über die Brennerlänge verteilten Brennstoffdüsen 6 vorbei in den Innenraum 22, wobei der Brennstoff von der vorbeiströmenden Luft 23 erfasst und umschlossen wird. Im Innenraum 22 des Brenners 1 strömt der Verbrennungsluftstrom unter Ausbildung einer sich in Strömungsrichtung ausbreitenden kegelförmigen Brennstoffsäule entlang der Stromlinien 5. Das Brennstoff/Luft-Gemisch gelangt dann in den Brennraum 2, wo es an einer Flammfront 3 entzündet. Die Strömung im Brennerinnenraum 22 bis zur Flammenfront 3 folgt dabei den Stromlinien wie in Fig. 1a) dargestellt.

Bei einem derartigen Doppelkegelbrenner ist die Verzugszeit τ, die zwischen der Eindüsung an den Brennstoffdüsen 6 bis zur Entzündung an der Flammfront 3 verstreicht, nahezu konstant für alle Positionen der Brennstoffdüsen, wie dies in Fig. 1b) schematisch dargestellt ist (die Koordinate x erstreckt sich dabei vom Ausgang 10 des Brenners 1 zu dessen hinterem Ende, d. h. zur Brennerbasis 27, d. h. in der Fig. 1a) von rechts nach links). Es kann mit anderen Worten keine systematische Variation der Verzugszeiten τ in Funktion der Brennstoffdüsenposition entlang des Brenners 1 beobachtet werden (z. B. kürzere Verzugszeiten für Düsen 6 nahe beim Brenneraustritt 10), sondern vielmehr eine mehr oder weniger zufällig erscheinende, um einen Mittelwert nur wenig schwankende Verteilung als Funktion des Eindüsungsortes x.

Wie in Fig. 2 dargestellt, wird nun erfindungsgemäss vorgeschlagen, anstelle des bisher im wesentlichen konstanten Zeitverzugs von der Brennstoffeindüsung 6 bis zur Flammfront 3 eine Verteilung der Verzugszeit über die Brennerlänge einzustellen. Die Verteilung wird in einer ersten Wahl so eingestellt, dass die Verzugszeiten τ um eine Verzugszeitendifferenz Δτ linear variiert, und zwar von einem Minimum τ_max-Δτ zum Maximum im hinteren Brennerbereich von τ_max linear zunehmend.

In einer zweidimensionalen Darstellung ist in Fig. 3 die Brennerstabilität als Funktion der Parameter Δτ (x-Achse) und τ_max (y-Achse) für eine Verzugszeitverteilung wie in Fig. 2 angegeben. Grundsätzlich zeigt sich, dass sowohl Veränderungen im Maximalwert als auch Variationen in der Zeitverzugsstreuung die Stabilität des Brenners stark beeinflussen können. Als einzelne Messwerte sind dabei exemplarisch drei Werte für das Verhalten bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten im Brenner angegeben: für niedrige Strömungsgeschwindigkeit 17, für mittlere Strömungsgeschwindigkeit 18, und für hohe Strömungsgeschwindigkeit 19. Allgemein zeigt es sich, dass sich zwei grundsätzlich instabile, in Fig. 3 schraffierte Bereiche ausbilden. Auf der einen Seite ein instabiler Bereich 16 kurzer Verzugszeiten. Fast unabhängig von der Wahl von Δτ ist der Brenner hier akustisch nicht stabil für derart hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Ein zweiter, inselartiger Bereich 13 instabilen Verhaltens findet sich für niedrige Geschwindigkeiten, d. h. hohe Werte von τ_max, und für kleine Werte von Δτ.

Grundsätzlich ist erkennbar, dass sich die Stabilität eines Brenners, der mit seinen typischen Betriebswerten meist nahe der Insel 13 arbeitet, sowohl durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit gemäss Pfeil 15 stabilisiert werden kann, als auch durch eine Erhöhung der Verzugszeitendifferenz Δτ, d. h. durch eine Verschiebung des Betriebspunktes in der Graphik gemäss Pfeil 14 nach rechts. Da aus praktischen Gründen der Wert von τ_max nicht einfach immer in den stabilen niedrigen Bereich gem. 15 verschoben werden kann (vgl. unten), ist eine Verschiebung mittels Einstellung erhöhter Verzugszeitendifferenzen Δτ d. h. über stärker gespreizte Verzugszeiten, oftmals eine effiziente und realisierbare Alternative. Typischerweise liegt der Betriebspunkt für den Betrieb einer Gasturbine bei Grundlast beim in Fig. 3 angegebenen Punkt 19. Dieser Punkt liegt im Grenzbereich zwischen stabiler und instabiler Verbrennung und kann grundsätzlich sowohl durch Variationen im Maximalwert, als auch durch eine Veränderung der Streuung stabilisiert werden. Variationen im Maximalwert hängen im allgemeinen zusammen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten im Brenner, also mit Leistungsvariationen. Diese sind im allgemeinen durch den Betrieb der Gasturbine gegeben und lassen sich bei bestehenden Gasturbinenausführungen häufig nur schwer beeinflussen.

Typischerweise liegen die Verzugszeiten bei Brennern im Bereich von τ = 5-50 ms, bei Doppelkegelbrennern normalerweise im Bereich von 5-15 ms bei Strömungsgeschwindigkeiten von 10-50 m/s. Bei Vierschlitzbrennern mit nachgeschalteter Mischstrecke liegen die Verzugszeiten normalerweise im Bereich von 5-50 ms bei Strömungsgeschwindigkeiten von 10-100 m/s. Δτ kann nun in einem weiten Bereich variiert werden, typischerweise erweisen sich Variationen von Δτ = 0.5 τ_max oder darüber als besonders vorteilhaft, sowohl bei Doppelkegelbrennern als auch bei Vierschlitzbrennern mit nachgeschalteter Mischstrecke.

Technisch realisieren lässt sich eine derartige Verteilung an einem als Ausführungsbeispiel dienenden Doppelkegelbrenner wie bereits in Fig. 1 dargestellt über eine Brennstoffeinspritzung in den Verbrennungsluftstrom 23 mittels einer Brennstofflanze 24, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Die Brennstofflanze 24 ragt von der Brennerbasis 27 ausgehend in den Innenraum 22 des Doppelkegelbrenners 1. Die Brennstofflanze ist im wesentlichen auf der Achse des Doppelkegelbrenners 1 angeordnet, weist eine zylindrische Form auf, sowie auf ihrer radialen Oberfläche verteilte Brennstoffeindüsungslöcher 25. Die Brennstoffeindüsungslöcher 25 sind über die Länge der Brennstofflanze 24 verteilt. Ausserdem sind die Löcher 25 auch auf dem Umfang verteilt, entweder in Form von Ringen, oder, wie in Fig. 4 dargestellt, in versetzter Form. Die maximale in einem derartigen Brenner auftretende Verzugszeit τ_max ist, wie in Fig. 4 angegeben, durch das Verhältnis des maximalen Abstands L zwischen Brennstoffeindüsung und Flammenfront 3 zur Strömungsgeschwindigkeit U im Brenner gegeben. Der maximale Abstand L ist dabei üblicherweise die Distanz zwischen am nächsten an der Brennerbasis 27 angeordneter Brennstoffdüse 6 und der Flammenfront 3. Betrachtet man nun Brennstoff, welcher über die Brennstoffeindüsungslöcher 25 der Brennstofflanze 24 in den Verbrennungsluftstrom 23 eingedüst wird, so zeigt sich, dass über den Abstand von zwei Brennstoffeindüsungslöchern 25 ein Zeitverzug Δτ zustande kommt, welcher dem Verhältnis aus Abstand ΔL zwischen zwei Brennstoffeindüsungslöchern 25 und der Strömungsgeschwindigkeit U des Verbrennungsluftstroms 23 im Brenner 1 entspricht (Δτ = ΔL/U). Auf diese Weise kann durch die Verteilung der Löcher 25 das gewünschte Verteilungsprofil 12 eingestellt werden. Dabei ist insbesondere eine Streuung der Verzugszeit anzustreben, die den halben Maximalwert erreicht oder überschreitet, Δτ ≥ 0.5 τ_max. Je nachdem, in welchem Masse thermoakustische Schwingungen bei einem bestimmten Betriebszustand effektiv ein Problem darstellen, kann dabei das Verhältnis von über Brennstoffdüsen 6 bei den Lufteintrittsschlitzen 7 eingedüstem Brennstoff zu über die Brennstoffeindüsungslöcher 25 eingedüstem Brennstoff situativ eingestellt und geregelt werden. Auf jeden Fall ist vorgesehen, dass der über die Brennstofflanze 24 eingedüste Brennstoff den Brennstoff, welcher über die Brennstoffdüsen 6 eingedüst wird, wenigstens teilweise ersetzt.

Als wichtig in Bezug auf die Verhinderung von thermoakustischen Schwingungen erweist sich insbesondere die maximale Streuung Δτ, während die Verteilungsfunktion von τ in der Regel eher eine untergeordnete Rolle spielt. Bereits ein geringer Anteil von im Bereich von 5-30% des Gesamtbrennstoffmassenstromes, welcher über die Lanze eingedüst wird, kann genügen, um durch die Streuung die Flamme zu stabilisieren.

Die maximale Weite, über welche eine Verteilung 12 einstellbar ist, ist dabei im wesentlichen durch die Länge der Brennstofflanze 24 vorgegeben. Zufriedenstellende Ergebnisse in Bezug auf die Vermeidung von thermoakustischen Schwingungen lassen sich mit Brennstofflanzen 24 erreichen, welche wenigstens bis in die Hälfte des kegelförmigen Abschnittes des Brenners reichen, die Lanze 24 ist aber vorzugsweise länger und erstreckt sich über 3/4 der Länge des Brenners oder sogar über die gesamte Länge des Brenners. Grundsätzlich kann sich die Lanze bis zu dem Ort erstrecken, an welchem im Vormischbetrieb die Flammenfront 3 lokalisiert ist.

Vorteilhafterweise wird die Brennstofflanze 24 gleichzeitig als Pilotlanze verwendet, das heisst die Brennstofflanze 24 weist ausserdem die Möglichkeit auf, für den pilotierten Betrieb im unteren Lastbereich eine Diffusionsflamme möglichst nahe an der beim Vormischbetrieb vorhandenen Flammenposition zu erzeugen. Oder es kann eine Lanze verwendet werden, welche für den Ölbetrieb des Vormischbrenners vorgesehen ist.

Geeignet ist zum Beispiel eine verlängerte Pilotlanze, wie sie z. B. in den Schriften EP 0 788 445 für den Fall eines Doppelkegelbrenners, in WO 93/17279 für den Fall eines umgekehrten Doppelkegelbrenners mit zylindrischer Aussenform sowie in EP 0 833 105 für den Fall eines umgekehrten Doppelkegelbrenners mit zylindrischer Aussenform und nachgeschalteter Mischstrecke beschrieben wird. In Bezug auf die Geometrie und die Dimensionierung einer derartigen Pilotlanze sei insbesondere der Offenbarungsgehalt der EP 0 788 445 explizit in diese Anmeldung eingeschlossen.

Die Brennstofflanze 24 wird vorteilhafterweise in Form von ineinandergeschachtelten, konzentrischen zylindrischen Rohren ausgebildet, wobei im zentralen Rohr mit kleinsten Durchmesser der Pilotbrennstoff (gasförmig oder flüssig) respektive der Ölbrennstoff strömt im Falle von pilotiertem Betrieb respektive Ölbetrieb, während im Zwischenraum zwischen äusserstem Rohr und nächst innenliegendem Rohr der Brennstoff zu Eindüsung über die Brennstoffeindüsungslöcher 25 zugeführt wird. Es ist auch möglich, die einzelnen Brennstoffeindüsungslöcher 25 in individuell ansteuerbare Gruppen aufzuteilen, um gegebenenfalls die Verteilung 12 variabel und den Betriebsverhältnissen des Vormischbrenners einstellen respektive regeln zu können.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt. Es handelt sich hier um einen Vierschlitzbrenner, d. h. um einen Vormischbrenner, welcher vier konische Elemente aufweist und damit vier Lufteintrittsschlitze 7. Der Brenner weist ausserdem eine nachgeschaltete Mischstrecke 26 auf, welche zylindrisch ausgebildet ist und ausserdem in Fig. 5 nicht dargestellte, in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle aufweist. Ein derartiger Brenner ist beispielsweise in der EP 0 704 657 und in der EP 0 780 629 dargestellt. Auch bei derartigen Brennern ergibt sich eine ähnliche Problematik, nämlich dass die Verzugszeitstreuung bei der Brennstoffeindüsung über die Brennstoffdüsen 6 klein ist im Vergleich zur Maximalwert τ_max. Die Brennstofflanze 24 ragt in diesem Fall vorteilhafterweise nicht nur über die Länge des konischen Abschnittes in den Brenner, sondern noch weit in den Mischkanal 26 hinein. Grundsätzlich ist es auch in diesem Fall erstrebenswert, die Brennstofflanze so lang zu gestalten, dass wenigstens eine Zeitverzögerung Δτ erreicht wird, welche den halben Maximalwert erreicht oder überschreitet, d. h. Δτ ≥ 0,5 τ_max. Dies bedeutet, dass die Lanze 24 eine Länge aufweisen sollte, welche wenigstens der Hälfte der Länge von konischen Anteil + Mischstrecke 26 entspricht. Infolge der grossen Länge der Brennstofflanze 24 kann die Verzugszeitstreuung in einem weiten Bereich variiert werden, was ein stabiles. Brennerverhalten über einen erweiterten Betriebsbereich erlaubt. BEZEICHNUNGSLISTE 1 Doppelkegelbrenner
2 Brennraum
3 Flammfront
4 Wand des Brennraums
5 Stromlinien des Brennstoff/Luft Gemisches
6 Brennstoffdüsen
7 Spalt zwischen den konischen Brennerschalen
8 Innere konische Brennerschale bei 7
9 Äussere konische Brennerschale bei 7
10 Vorderes Ende des Doppelkegelbrenners
11 Konstanter Zeitverzug
12 Zeitverzugsverteilung
13 Unstabiler Bereich hoher Verzugszeiten
14 Stabilisierende Verschiebung nach grossen Verteilungsbreiten
15 Stabilisierende Verschiebung nach kurzen Verzugszeiten
16 Instabiler Bereich kurzer Verzugszeiten
17 Verhaften bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit
18 Verhalten bei mittlerer Strömungsgeschwindigkeit
19 Verhalten bei hoher Strömungsgeschwindigkeit
21 Einstellbarer Zeitverzugsbereich
22 Innenraum
23 Verbrennungsluftstrom
24 Pilotlanze
25 Löcher in Pilotlanze, Brennstoffeindüsungslöcher
26 nachgeschaltete Mischstrecke
27 Brennerbasis

Claims

1. Brenner (1) mit einem von wenigstens einer Schale (8, 9) umschlossenen Innenraum (22), bei welchem Brenner (1) Brennstoff durch an den Brennerschalen (8, 9) angeordnete Brennstoffdüsen (6) in einen im Innenraum (22) strömenden Verbrennungsluftstrom (23) eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft- Gemisch innerhalb einer Verzugszeit (τ) zu einer Flammfront (3) in einen Brennraum (2) strömt, und dort entzündet dadurch gekennzeichnet, dass von der Brennerbasis (27) im wesentlichen in Richtung des Brennraums (2) in den Innenraum (22) ragende Mittel (24) angeordnet sind, welche eine Eindüsung von Brennstoff über wenigstens zwei über die Länge der Mittel (24) verteilte Brennstoffeindüsungslöcher (25) in den Verbrennungsluftstrom (23) erlauben, sodass die Verzugszeit (τ) zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammenfront (3) einer Verteilung (12) entspricht, welche verbrennungsgetriebene Schwingungen im Vormischbetrieb vermeidet.

2. Brenner (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mitteln (24) um eine Brennstofflanze handelt, welche im wesentlichen auf der Achse des Brenners (1) angeordnet ist, und welche insbesondere entlang ihrer Oberfläche Brennstoffeindüsungslöcher (25) aufweist.

3. Brenner (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofflanze (24) im wesentlichen zylindrischen Querschnitt aufweist, wobei die Brennstoffeindüsungslöcher (25) sowohl in Bezug auf die Länge der Brennstofflanze (24) als auch in Bezug auf deren umfangsmässige Anordnung auf der Brennstofflanze (24) verteilt sind.

4. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mitteln (24) um eine Pilotlanze für den pilotierten Betrieb des Brenners handelt.

5. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24) eine in den Innenraum (22) ragende Länge aufweisen, welche im Bereich der halben bis zur ganzen Länge der Vormischstrecke des Brenners (1) liegt.

6. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Brenner (1) um einen Kegelbrenner, insbesondere um einen Doppelkegelbrenner, handelt, bei welchem der Brenner (1) aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörpern (8, 9), welche in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen, und welche Teilkegelkörper (8, 9) zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die Verbrennungsluft (23) durch einen Spalt (7) zwischen den Teilkegelkörpern (8, 9) in den Innenraum (22) strömt, gebildet wird.

7. Brenner (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Vierschlitzbrenner handelt, welcher insbesondere über eine stromab des Vierschlitzbrenners angeordnete nachgeschaltete Mischstrecke (26) verfügt.

8. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeindüsungslöcher (25) in Gruppen aufgeteilt sind, wobei jeweils eine Gruppe von Brennstoffeindüsungslöchern (25) derart angeordnet ist, dass alle Düsen (25) der Gruppe einen bestimmten Bereich der Flammfront (3) mit unterschiedlichem Zeitverzug (τ) speisen.

9. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24) insgesamt 2n Brennstoffeindüsungslöcher (25) aufweisen, welche insbesondere in n Gruppen mit je 2 Düsen aufgeteilt sind und als Gruppen individuell angesteuert werden können.

10. Brennstofflanze (24) für einen Vormischbrenner mit einem von wenigstens einer Schale (8, 9) umschlossenen Innenraum (22), bei welchem Brenner (1) Brennstoff durch an den Brennerschalen (8, 9) angeordnete Brennstoffdüsen (6) in einen im Innenraum (22) strömenden Verbrennungsluftstrom (23) eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer Verzugszeit (τ) zu einer Flammfront (3) in einen Brennraum (2) strömt, und dort entzündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofflanze (24) in von der Brennerbasis (27) im wesentlichen in Richtung des Brennraums (2) in den Innenraum (22) ragender Weise in den Brenner (1) eingebaut werden kann, und dass die Brennstofflanze (24) eine Eindüsung von Brennstoff über wenigstens zwei über ihre Länge verteilte Brennstoffeindüsungslöcher (25) in den Verbrennungsluftstrom (23) erlauben, sodass die Verzugszeit (τ) zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammenfront (3) einer Verteilung (12) entspricht, welche verbrennungsgetriebene Schwingungen im Vormischbetrieb des Brenners (1) vermeidet.

11. Brennstofflanze (24) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Pilotlanze handelt, welche zusätzlich im Pilotbetrieb zur Erzeugung einer Pilotflamme benutzt werden kann, wobei im Pilotbetrieb insbesondere eine Pilotflamme in Form einer Diffusionsflamme erzeugt werden kann, welche im Bereich der im Vormischbetrieb erzeugten Flamme lokalisiert ist.

12. Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff in einen Brenner (1), welcher Brenner (1) einen von wenigstens einer Schale (8, 9) umschlossenen Innenraum (22) umfasst, bei welchem Brennstoff durch Brennstoffdüsen (6) in einen im Innenraum (22) strömenden Verbrennungsluftstrom (23) eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer Verzugszeit (τ) zu einer Flammfront (3) in einen Brennraum (2) strömt, und dort entzündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff wenigstens teilweise mittels von der Brennerbasis (27) im wesentlichen in Richtung des Brennraums (2) in den Innenraum (22) ragende Mittel (24), welche eine Eindüsung von Brennstoff über wenigstens zwei über die Länge der Mittel (24) verteilte Brennstoffeindüsungslöcher (25) in den Verbrennungsluftstrom (23) erlauben, eingedüst wird, sodass die Verzugszeit (τ) zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammenfront (3) einer Verteilung (12) entspricht, welche verbrennungsgetriebene Schwingungen im Vormischbetrieb vermeidet.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Zeitverzug (τ_max) zwischen Eindüsungsort (6) und Flammfront (3) im Bereich von τ_max = 5-50 ms liegt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Gemisches im Innenraum im Bereich von 20-50 m/s der maximale Zeitverzug (Tmax) im Bereich von τ_max = 5-15 ms liegt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff derart eingedüst wird, dass die Zeitverzugsverteilung (12) über die Brennerlänge zum Brennerende (10) hin vom Maximalwert τ_max um eine maximale Verzugsdifferenz (Δτ) im wesentlichen linear abnehmend zu einem Minimalwert beim Brennerende (10) von τ_max-Δτ gestaltet ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzugsdifferenz (Δτ) im Bereich von 10-90% des Maximalwerts (τ_max), insbesondere im Bereich von mehr als 50% des Maximalwerts (τ_max) liegt.

17. Verwendung eines Brenners gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9, insbesondere bevorzugt unter Verwendung einer Brennstofflanze (24) nach einem der Ansprüche 10 oder 11 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüchen 12 bis 16.