DE19615910A1 - Brenneranordnung - Google Patents
BrenneranordnungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungs
technik. Sie betrifft eine Brenneranordnung einer Brennkam
mer, insbesondere Gasturbinenbrennkammer, die sowohl für
Vormischbrenner, als auch für teilvorgemischte Brenner und
für Diffusionsbrenner angewendet werden kann.
Bekannt sind Brenneranordnungen von Gasturbinenbrennkammern,
bei denen die Brenner alle gleich orientiert und symmetrisch
verteilt um die Brennkammerachse angeordnet sind. Die Bren
nerachse ist dabei meist parallel zur Brennkammerachse bzw.
zur Mittelschnittebene bei Ringbrennkammern angeordnet, aber
es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen die Brennerachse
und die Brennkammerachse zueinander geneigt sind. Im allge
meinen ist die Strömungsrichtung der Brenner axial mit einer
leicht radialen Komponente.
Zur Erzeugung eines zusätzlichen Dralles in der Brennkammer
sind auch tangential geneigte Brenneranordnungen bekannt.
Allen Ausführungen ist eine regelmäßige Anordnung der Bren
ner bzw. bei Ringbrennkammern eine regelmäßige Anordnung zu
mindestens aller Brenner eines Ringes gemeinsam.
Diese Anordnung wird gewählt, um eine möglichst homogene Ver
teilung der Brenngase schon in der primären Verbrennungszone
zu erzielen, was zu einer homogenen Austrittsverteilung der
Brennkammerabgase führt. Allerdings müssen hierdurch auch
Nachteile in Kauf genommen werden.
Insbesondere bei vorgemischten Brennern neigt eine homogene
Reaktionszone, d. h. homogene "Flammenscheibe" zu unerwünsch
ten Druckpulsationen. Da der Abstand der Brenner zur Verbren
nungszone gleich ist, haben alle Brenner dieselbe Zeitkon
stante. Tritt nun eine durch Turbulenz immer vorhandene
leichte Störung auf, so antworten alle Brenner mit Umsatz
schwankungen. Erfolgen diese Schwankungen wiederum im geeig
neten Zeitpunkt, so kann sich eine Pulsation mit für die Ma
schine schädlichen Amplituden aufschaukeln.
Die Anregung der Druckpulsationen kann auch über andere Me
chanismen bewirkt werden, beispielsweise periodische Ablösun
gen, Entropiewellen u. a. mehr.
Ein weiterer Nachteil einer solchen regelmäßigen Anordnung
der Brenner besteht darin, daß die Querzündung von Brenner
zu Brenner erschwert ist, denn die Querzündung wird in diesem
Falle lediglich durch drallinduzierte Querströmung bewirkt.
Aus EP 0 655 581 A1 ist ein Brenner mit mindestens einem er
sten Hohlorgan, in dem gasförmiges Oxydationsmittel entlang
strömt und mindestens einem zweiten Hohlorgan zur Eindüsung
vom Brennstoff in die Oxydationsmittelströmung bekannt, bei
dem die Mündungen der zweiten Hohlorgane asymmetrisch in Be
ziehung zum ersten Hohlorgan angeordnet sind, dergestalt,
daß die Mischzone stromaufwärts der Flamme ein Gebiet ent
hält, bei welchem das Verhältnis von Brennstoff zum Oxyda
tionsmittel einen unterstöchiometrischen Wert aufweist. Es
können auch verschiedene Organe, beispielsweise Rohre, mit
unterschiedlichen Querschnitten asymmetrisch im ersten Hohl
organ angeordnet sein. Mit dieser Anordnung werden einerseits
die Brennkammerleistung erhöht und andererseits sollen die
NOx-Emissionen verringert werden. Die vorgeschlagene Lösung
beruht darauf, daß am Brenneraustritt keine homogene Mi
schung vorliegt, sondern Bereiche mit höherer bzw. niedrige
rer Brennstoffkonzentration als im Mittel. Sollen jedoch we
sentlich geringere NOx-Emissionen erzielt werden, so muß das
Luft/Brennstoff-Gemisch vollständig gemischt sein, d. h. daß
die in EP 0 655 581 A1 vorgestellte Lösung nicht anwendbar
ist.
Weiterhin ist der Anmelderin ein Verfahren zum Betrieb einer
mit Vormischbrennern bestückten Brennkammer bekannt, die mit
gegeneinander verstimmten, in Geometrie und Größe gleich
ausgebildeten Brennern ausgerüstete ist. Diese Brenner wer
den mit unterschiedlichen Luftzahlen λ betrieben und haben
daher unterschiedliche Flammentemperaturen. Das führt zu
einer Erweiterung des Operationsgebietes der Brennkammer, in
dem ein stabiler Betrieb der Brennkammer auch im niedrigen
Lastbereich ohne Stufung der Brenner möglich ist. Nachteilig
ist, daß ein gewisser Anstieg der NOx-Emissionen in Kauf
genommen werden muß.
Eine weitere Möglichkeit, die Brenner zu verstimmen, ist aus
EP 0 686 812 A1 bekannt. Dort wird ein Verfahren zum Betrieb
eines Brenners für eine Gasturbine offenbart, bei dem der
Brennstoff an axial unterschiedlichen Stellen entlang des
Brenners, z. B. schon vor der Drallbeschaufelung, eingebracht
und die Strömung des Brennstoffes zu einer stromabwärtigen
Verbrennungszone kontrolliert wird, um eine asymmetrische
Strömung des Brennstoffes über den Brenner zu erreichen. Dies
führt ebenfalls zu einer Erweiterung des Operationsgebietes
des Brenners, da im niedrigen Lastbereich hohe akustische
Geräusche und Resonanzen (Druckpulsationen) vermieden werden
und eine Reduktion des dynamischen Druckverlustes ohne An
stieg der NOx-Emissionen erreicht wird. Die Eindüsung von Gas
vor der Drallbeschaufelung erzeugt aber hier ein brennbares
Gemisch vor den Drallerzeugern. Erfahrungsgemäß neigen der
artige Anordnungen zu Flammenrückschlag mit der Gefahr des
Abbrandes der Schaufeln. Nachteilig ist außerdem die sehr
komplex aufgebaute Brennstoffzuführung.
Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr
liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brenneranordnung, insbeson
dere für Gasturbinenbrennkammern zu entwickeln, mit der die
Brennkammerleistung gezielt beeinflußt werden kann und bei
der Druckpulsationen, die durch unterschiedliche Ursachen
hervorgerufen werden können, vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird dies bei einer Brenneranordnung gemäß
Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch erreicht, daß
der/die Störbrenner im Vergleich zu dem/den Hauptbrenner(n)
in der Brennkammer geneigt angeordnet ist/sind. Erfindungs
gemäß wird dies auch dadurch erreicht, daß der/die Stör
brenner im Vergleich zu dem/den Hauptbrenner(n) in der
Brennkammer axial verschoben angeordnet ist/sind.
Durch diese erfindungsgemäße Brenneranordnung in einer Silo-
bzw. Rohrbrennkammer oder Ringbrennkammer wird die Symmetrie
bzw. Homogenität der Flammenscheibe gestört. Die Vorteile der
Erfindung bestehen zusätzlich darin, daß durch die Neigung
der Störbrenner eine Querströmung entsteht, die die Querzün
dung der Brenner wesentlich erleichtert, so daß der Stabil
itätsbereich der Brenner in Richtung niedrigerer Lasten ver
schoben wird. Außerdem wirken die Störbrenner auch schwin
gungsdämpfend.
Es ist besonders zweckmäßig, wenn der/die Störbrenner in Um
fangsrichtung geneigt angeordnet ist/sind.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der/die Störbrenner in ra
dialer Richtung geneigt angeordnet ist/sind, d. h. es sind
Winkelabweichungen zur Brennkammerachse bzw. zur Brennkammer
mittelschnittsebene vorgesehen. Dabei wird eine solche Nei
gung des/der Brenner bevorzugt, bei der der/die Brenner nicht
auf die Brennkammerwand feuert/feuern, sondern die Brenner
mündung/Brennermündungen vom nächstliegenden Teil der Brenn
kammerwand weggerichtet ist/sind. Das hat den Vorteil, daß
die Wand nicht zu stark thermisch belastet wird.
Schließlich wird mit Vorteil eine Brenneranordnung gewählt,
bei der Haupt- und Störbrenner in unsymmetrischen Mustern in
der Brennkammer angeordnet sind. Unerwünschte Druckpulsatio
nen können so am einfachsten unterbunden werden. Aber auch
symmetrische Muster sind denkbar.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Er
findung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Gasturbine mit einer
Silobrennkammer mit axial verschobenen Störbren
nern;
Fig. 2 einen Teillängsschnitt einer Gasturbine mit einer
mit Vormischbrennern bestückten Ringbrennkammer,
wobei der Störbrenner im Vergleich zu den Haupt
brennern axial verschoben ist;
Fig. 3 eine Abwicklung einer Ringbrennkammer in der Ebene
einer Brennerreihe, wobei der Störbrenner im Ver
gleich zu den Hauptbrennern geneigt angeordnet ist;
Fig. 4 eine andere Ausführungsvariante zu Fig. 3;
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt einer Ringbrennkam
mer mit Haupt- und Störbrennern, wobei diese in
einem symmetrischen Muster angeordnet sind;
Fig. 6 einen schematischen Querschnitt einer Ringbrennkam
mer mit Haupt- und Störbrennern, wobei diese in
einem unsymmetrischen Muster angeordnet sind.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli
chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Medien ist
mit Pfeilen bezeichnet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei
spielen und der Fig. 1 bis 6 näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einem Teillängsschnitt eine Gasturbinenan
lage. In einem Gehäuse 1 sind auf einer gemeinsamen Welle 2
ein Verdichter 3 und eine Turbine 4 angeordnet. Von einer auf
das Turbinengehäuse 1 aufgesetzten Silobrennkammer 5 stellt
ein Heißgasgehäuse 6 die Verbindung mit dem Turbineintritt 7
her. Vom Verdichter 3 gelangt komprimierte Luft durch einen
Luftkanal 8 in einen vom Turbinengehäuse 1 umschlossenen Zwi
schenraum 9, von dem ein Teil der Luft als Primärluft über
einen Verbrennungslufteintritt 10 in den Brennraum 11 der
Brennkammer 5 gelangt, während ein anderer Teil der Luft über
Mischluftdüsen 12 als Sekundärluft dem Heißgas im Brennraum
11 beigemischt wird. Über die schematisch dargestellten Bren
ner 13 wird der Brennkammer 5 Brennstoff zugeführt, welcher
mit der in die Brennkammer 5 gelangenden Luft zu Heißgas
verbrennt. Die Heißgase aus der Silobrennkammer 5 gelangen
in Pfeilrichtung durch den Turbineneintritt 7 in die Turbine
4, expandieren darin und verlassen die Turbine 4 durch einen
Abgasstutzen 14.
Die Brennkammer 5 ist mit mehreren Brennern 13 bestückt. Die
Brenner 13 sind in diesem Ausführungsbeispiel Diffusionsbren
ner, die in zwei Brennergruppen aufgeteilt sind, und zwar in
die Hauptbrennergruppe 13.1 und in die Störbrennergruppe 13.2.
Die beiden Brennergruppen 13.1 und 13.2 werden von Brennern
gleicher Geometrie und gleicher Größe gebildet, wobei er
findungsgemäß die Hauptbrenner, d. h. die Brenner der Bren
nergruppe 13.1, einen Verbund mit gleichem axialen Abstand l₁
von der Wellenachse 15 bilden, während die Störbrenner, d. h.
die Brenner der Brennergruppe 13.2, einen anderen axialen Ab
stand l₂ von der Wellenachse 15 aufweisen. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel ist der axiale Abstand aller Störbrenner
13.2 von der Wellenachse 15 konstant. Selbstverständlich kön
nen in anderen Ausführungsbeispielen die Abstände l₂ auch in
nerhalb der Störbrennergruppe 13.2 variieren. Wichtig ist
nur, daß die Störbrenner 13.2 den symmetrischen Verbund der
Hauptbrenner 13.1 stören und dadurch Inhomogenitäten in der
Flammenscheibe erzeugen, so daß sich z. B. Pulsationen im
Brenner nicht zu schädlichen Amplituden aufschaukeln können,
sondern gedämpft werden.
Fig. 2 zeigt einen Teillängsschnitt einer Gasturbine mit
einer mit Vormischbrennern 13 bestückten Ringbrennkammer 5.
Die Brenner 13 sind in diesem Ausführungsbeispiel Vormisch
brenner der Doppelkegelbauart, welche beispielsweise in
EP 0 321 809 B1 beschrieben ist.
In einem Gehäuse 1 sind auf einer gemeinsamen Welle 2 ein
Verdichter 3 und eine Turbine 4 angeordnet. Zwischen dem Ver
dichter 3 und der Turbine 4 befindet sich eine Ringbrennkam
mer 5, die über den Turbineneintritt 7 mit der Turbine 4 ver
bunden ist, von der nur eine Leitschaufel der ersten Leit
schaufelreihe dargestellt ist. Vom Verdichter 3, von dem in
Fig. 2 nur die letzten Verdichterstufen dargestellt sind,
gelangt komprimierte Luft durch einen Luftkanal 8, der als
Umlenkdiffusor ausgebildet ist, in ein zwischen Verdichter 3
und Ringbrennkammer 5 angeordnetes Plenum 16. Vom Plenum 16
aus strömt die Verbrennungsluft über tangentiale Luftein
trittsschlitze in die Brenner 13.1 und 13.2 und mischt sich
im Innenraum der Brenner mit dem über Brennstofflanzen 17
eingebrachten Brennstoff. Das Gemisch zündet erst am stromab
wärtigen Ende der Brenner. Die Flamme wird durch eine Rezir
kulationszone 18 stabilisiert. Die Heißgase werden am strom
abwärtigen Ende der Brennkammer 5 beschleunigt, strömen über
den Turbineneintritt 7 in die Turbine 4, expandieren darin
und verlassen die Turbine 4 durch einen in Fig. 2 nicht dar
gestellten Abgasstutzen.
Die Brenner 13 sind in der Ringbrennkammer 5 im Gegensatz zum
bekannten Stand der Technik nicht alle regelmäßig angeord
net. Lediglich die Hauptbrenner 13.1 sind regelmäßig in der
Brennkammer 5 angeordnet, damit eine möglichst homogene Ver
teilung der Brenngase schon in der primären Verbrennungszone
erzielt werden kann, was wiederum zu einer homogenen Aus
trittsverteilung der Brennkammerabgase führt. Der Nachteil
von durch die homogene Reaktionszone hervorgerufenen Druck
pulsationen und mangelnder Querzündung von Brenner zu Brenner
wird durch die erfindungsgemäße Brenneranordnung beseitigt.
Die Störbrenner 13.2 sind axial verschoben zu den Hauptbren
nern 13.1 angeordnet. Das führt dazu, daß die Rezirkula
tionszonen der einzelnen Brenner nicht mehr in einer Ebene
liegen. Der Abstand der Brenner zur Verbrennungszone ist also
nicht mehr für alle Brenner gleich, sondern die Störbrenner
13.2 und die Hauptbrenner 13.1 haben unterschiedliche Zeit
konstanten. Tritt nun eine durch Turbulenz vorhandene leichte
Störung auf, so sind die Umsatzschwankungen der Brenner zeit
lich verschoben, so daß Druckpulsationen gedämpft werden.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Er
findung. Es ist jeweils die Abwicklung einer Ringbrennkammer
in der Ebene einer Brennerreihe dargestellt, wobei der Stör
brenner 13.2 im Vergleich zu den Hauptbrennern 13.1 in Um
fangsrichtung geneigt angeordnet ist. Als Brenner sind hier
wiederum Vormischbrenner der Doppelkegelbauart eingesetzt.
Durch die Neigung der Störbrenner 13.2 entsteht eine Quer
strömung, die die Querzündung der Brenner wesentlich erleich
tert.
Es sind auch Winkelabweichungen zur Brennkammerachse bzw. zur
Brennkammermittelschnittsebene möglich, so daß die Störbren
ner 13.2 windschief zur Brennkammer- bzw. zur Maschinenachse
stehen.
Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Ringbrenn
kammer mit Haupt- 13.1 und Störbrennern 13.2 in der Ebene der
Frontplatte 18, wobei die Brenner in einem symmetrischen Mu
ster angeordnet sind, indem in einem Ring abwechselnd ein
Hauptbrenner 13.1 und ein Störbrenner 13.2 in gleichem Ab
stand voneinander vorgesehen sind. Wichtig ist, daß dadurch
die Frequenz erhöht wird.
Aber auch mit dem in Fig. 6 beispielhaft dargestellten unsym
metrischen Muster, bei dem nur ein Störbrenner 13.2 im Ring
der Ringbrennkammer angeordnet ist, lassen sich die Vorteile
der Erfindung erreichen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die eben be
schriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Brennera
nordnung ist neben den Vormischbrennern auch für teilvorge
mischte und Diffusionsbrenner geeignet, welche sowohl in
Ringbrennkammern, als auch in Silo- bzw. Rohrbrennkammern
angeordnet sein können. Außerdem ist die Brenneranordnung
auch für Kesselfeuerungen einsetzbar.
Mit der Erfindung ist es möglich, neben der Dämpfung der oben
beschriebenen Druckpulsationen durch die homogene Flammen
scheibe auch solche Druckpulsationen zu dämpfen, die durch
andere Mechanismen hervorgerufen werden, z. B. periodische
Ablösungen und Entropiewellen. Die Querzündung der Brenner
wird verbessert und außerdem kann damit das Austrittsprofil
der Brennkammerabgase gezielt an die Erfordernisse der Tur
bine angepaßt werden.
Bezugszeichenliste
1 Turbinengehäuse
2 Welle
3 Verdichter
4 Turbine
5 Brennkammer
6 Heißgasgehäuse
7 Turbineneintritt
8 Luftkanal
9 Zwischenraum
10 Primärlufteintritt
11 Brennraum
12 Mischluftdüse
13 Brenner
13.1 Hauptbrenner
13.2 Störbrenner
14 Abgasstutzen
15 Wellenachse
16 Plenum
17 Brennstofflanze
18 Frontplatte
l₁ axialer Abstand der Hauptbrenner 13.1 von Pos. 15
l₂ axialer Abstand der Störbrenner 13.2 von Pos. 15
α Winkel zwischen Brennerachse und Maschinenachse bzw. Brennkammerachse
2 Welle
3 Verdichter
4 Turbine
5 Brennkammer
6 Heißgasgehäuse
7 Turbineneintritt
8 Luftkanal
9 Zwischenraum
10 Primärlufteintritt
11 Brennraum
12 Mischluftdüse
13 Brenner
13.1 Hauptbrenner
13.2 Störbrenner
14 Abgasstutzen
15 Wellenachse
16 Plenum
17 Brennstofflanze
18 Frontplatte
l₁ axialer Abstand der Hauptbrenner 13.1 von Pos. 15
l₂ axialer Abstand der Störbrenner 13.2 von Pos. 15
α Winkel zwischen Brennerachse und Maschinenachse bzw. Brennkammerachse
Claims (7)
1. Brenneranordnung einer Brennkammer (5), insbesondere für
eine Gasturbine, wobei mindestens zwei Brennergruppen
(13.1, 13.2), bestehend aus jeweils mindestens einem
Brenner (13) gleicher Größe und Geometrie zur Bestüc
kung der Brennkammer (5) vorgesehen sind und mindestens
eine Brennergruppe den/die Hauptbrenner (13.1) dar
stellt, wobei der/die Hauptbrenner (13.1) eine homogene
Flammenscheibe in der Brennkammer (5) erzeugt/erzeugen,
und die andere Brennergruppe als Störbrenner (13.2) die
Homogenität der Flammenscheibe in der Brennkammer (5)
stört, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Störbrenner
(13.2) im Vergleich zu dem /den Hauptbrenner(n) (13.1)
in der Brennkammer (5) geneigt angeordnet ist/sind.
2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der/die Störbrenner (13.2) in Umfangsrichtung
geneigt angeordnet ist/sind.
3. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der/die Störbrenner (13.2) in radialer Rich
tung unter einem beliebigen Winkel (α) windschief zur
Maschinenachse bzw. zur Brennkammerachse geneigt ange
ordnet ist/sind.
4. Brenneranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß der/die Störbrenner (13.2) eine solche Neigung
in radialer Richtung aufweist/aufweisen, daß seine/ihre
Mündung(en) vom nächstliegenden Teil der Brennkammerwand
weggerichtet ist/sind.
5. Brenneranordnung einer Brennkammer (5), insbesondere für
eine Gasturbine, wobei mindestens zwei Brennergruppen
(13.1, 13.2), bestehend aus jeweils mindestens einem
Brenner (13) gleicher Größe und Geometrie zur Bestüc
kung der Brennkammer (5) vorgesehen sind und mindestens
eine Brennergruppe den/die Hauptbrenner (13.1) dar
stellt, wobei der/die Hauptbrenner (13.1) eine homogene
Flammenscheibe in der Brennkammer (5) erzeugt/erzeugen,
und die andere Brennergruppe als Störbrenner (13.2) die
Homogenität der Flammenscheibe in der Brennkammer (5)
stört, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Störbrenner
(13.2) im Vergleich zu dem /den Hauptbrenner(n) (13.1)
in der Brennkammer (5) axial verschoben angeordnet ist/
sind.
6. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß der/die Störbrenner (13.2)
und der/die Hauptbrenner (13.1) in einem unsymmetrischen
Muster in der Brennkammer (5) angeordnet ist/sind.
7. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß der/die Störbrenner (13.2)
und der/die Hauptbrenner (13.1) in einem symmetrischen
Muster in der Brennkammer (5) angeordnet ist/sind.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19615910A DE19615910B4 (de) | 1996-04-22 | 1996-04-22 | Brenneranordnung |
US08/832,052 US5983643A (en) | 1996-04-22 | 1997-04-02 | Burner arrangement with interference burners for preventing pressure pulsations |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19615910A DE19615910B4 (de) | 1996-04-22 | 1996-04-22 | Brenneranordnung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19615910A1 true DE19615910A1 (de) | 1997-10-23 |
DE19615910B4 DE19615910B4 (de) | 2006-09-14 |
Family
ID=7792033
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19615910A Expired - Fee Related DE19615910B4 (de) | 1996-04-22 | 1996-04-22 | Brenneranordnung |
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Country | Link |
---|---|
US (1) | US5983643A (de) |
DE (1) | DE19615910B4 (de) |
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