EP0851990A2 - Brenner, insbesondere für eine gasturbine - Google Patents

Brenner, insbesondere für eine gasturbine

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EP0851990A2
EP0851990A2 EP96942244A EP96942244A EP0851990A2 EP 0851990 A2 EP0851990 A2 EP 0851990A2 EP 96942244 A EP96942244 A EP 96942244A EP 96942244 A EP96942244 A EP 96942244A EP 0851990 A2 EP0851990 A2 EP 0851990A2
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EP
European Patent Office
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burner
swirl
burner according
annular gap
outlet
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EP96942244A
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English (en)
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EP0851990B1 (de
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Bernd Prade
Bernhard Schetter
Holger Streb
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP0851990B1 publication Critical patent/EP0851990B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • F23D14/24—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other at least one of the fluids being submitted to a swirling motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F23C7/004—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion using vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/26—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid with provision for a retention flame

Definitions

  • the invention relates to a burner with an axis and with respect to this rotationally symmetrical arrangement of an outer jacket and an inner jacket coaxial therewith, which defines an annular gap extending from an inlet to an outlet for guiding a stream of an oxygen-containing gas a plurality of nozzles arranged in the annular gap for supplying a fuel and a swirl grille arranged in the annular gap.
  • the invention relates in particular to such a burner for use in a gas turbine.
  • This effect is the formation of a vortex core in the interior of the stream, that is to say that a stream traveling with a swirl tends to form an annulus, so that in a central region surrounding the axis of a cylindrical tube in which the stream is conducted , no flow in the direction of the current takes place.
  • a burner of the type mentioned in the introduction generally has the purpose of burning a fuel safely and with low pollutants in a stream of an oxygen-containing gas, in particular in compressed air.
  • pollutants such as nitrogen oxides and carbon monoxide premix combustion proved to be favorable; for this purpose, a mixture of fuel and oxygen-containing gas which is as homogeneous as possible is first formed, and only this mixture is ignited.
  • Fuels of this type are e.g. B. gases containing elemental hydrogen, for example
  • a burner is provided with an axis and with respect to this rotationally symmetrical arrangement of an outer jacket and an inner jacket coaxial therewith, which has an annular gap extending from an inlet to an outlet for guiding a stream of an oxygen-containing gas defined, with a plurality of nozzles arranged in the annular gap for supplying a fuel to the stream and a swirl grille arranged in the annular gap, the arrangement of the outer jacket and the inner jacket being designed in such a way that the stream adjusts the
  • Annular gap between the swirl grille and the outlet flows at an essentially constant meridional speed.
  • the feature of the "essentially constant meridional speed" means that the arrangement through which the current flows must oppose the current with an essentially constant meridional flow cross-section. In many cases, however, this flow cross-section will not be perpendicular to an axis of symmetry of the structure to be traversed, but rather must be dimensioned according to a vector field describing the current at an angle to the axis of symmetry and transversely to the vector field.
  • a simple calculation model which does not have to take the current into account explicitly, provides a good approximation for determining the flow cross-section along the arrangement to be flowed through.
  • Tori inscribed touch gential which both the surface of the outer shell and the surface of the inner shell tan ⁇ .
  • the points at which such a torus touches the outer jacket or the inner jacket lie here a circle on the outer jacket or a circle on the inner jacket.
  • a truncated cone surface is clamped between these two circles; this has a surface area which, with a good approximation, corresponds to the effective flow cross-section at the location of the truncated cone surface.
  • the invention is based on the knowledge that the guarantee of a constant meridional speed for the current behind the swirl grid, i. H. ensuring a constant speed of propagation of the current along the axis or in a radial-axial direction with respect to the axis
  • Plane has a stabilizing effect on the current and the current in this material to be formed from the acid mixture ⁇ containing gas and the fuel in a special way.
  • In ⁇ beson ⁇ more complete, this measure ensured that disturbances are suppressed due to egg ner non-ideal flow to the burner.
  • a necessary pressure drop, which must occur above the burner, is largely reduced between the inlet and the swirl grille.
  • ⁇ ie Ge ⁇ is propelled prevents behind the swirl lattice defects to the current m arise.
  • the arrangement of the outer jacket and the inner jacket is designed such that the annular gap between the inlet and the swirl grille narrows.
  • the outer casing ms is designed in such a way that it opens at the entrance in the manner of a lip or a rounded funnel; the inner jacket is particularly equipped with a rounded edge at the entrance. This contributes to a homogenization of the stream passing through the burner and avoids that disturbances which have formed in the stream before the burner continue into the burner.
  • the nozzles arranged in the annular gap for supplying a fuel are arranged in the swirl grille.
  • the swirl grid consists in particular of hollow guide vanes in which the nozzles are arranged.
  • the burner is particularly preferably designed such that one of the swirl grille, a radius of the outer casing and a radius of the inner casing, to determine both radii at the outlet, defines a twist number which can be calculated as a quotient between an angular momentum as dividend and a product of one meridional impulse and the radius of the outer jacket as a divisor, the angular momentum and the meridional impulse characterizing the current at the outlet, when it flows towards the inlet without swirl, is smaller than a critical swirl number, which is determined by the radii.
  • the requirement on which the corresponding design of the burner is based is known as "Strscheletzky's hub criterion".
  • the swirl number can be calculated from characteristic quantities of the current, namely the size of a meridional component of its pulse and the size of its angular momentum, which is largely determined by the swirl grid, but that the swirl number is still one is the characteristic parameter of the burner itself. This results from the flow mechanical similarity relationships.
  • critical swirl number was coined on the basis of the observation that in the vicinity of the axis of a current moving with a swirl along the axis a so-called vortex core forms, ie an area from which the current essentially flows is displaced. The reason for this are, for example, centrifugal forces.
  • the diameter of this vortex core is accessible to the calculation; ⁇ see the quoted books. In principle, the diameter of the vortex core increases with an increasing number of twists.
  • the critical twist number is defined as the twist number at which the radius of the vortex core of the stream corresponds exactly to the inner radius, ie the radius of the inner jacket.
  • the defined as explained swirl number of Brenner ⁇ is normal use before ⁇ preferably significantly smaller than the critical swirl number chooses; in particular, the swirl number of the burner is between 75% and 97% of the critical swirl number and is particularly preferably about 90% of the critical swirl number.
  • the burner of any configuration is preferably provided with a pilot burner.
  • This pilot burner comprises in particular a pilot burner arranged in the inner jacket, which delivers a small, stable burning flame, on which the mixture of gas and fuel containing oxygen which is formed in the burner itself can ignite. This is important if control of the fuel supply and thus control of the heat production of the burner is desired. It has been shown that premix combustion without stabilization is only stable in a relatively narrow operating range, characterized by a chemical composition that must be observed relatively precisely. However, if additional stabilization is provided with a corresponding pilot combustion device, an expansion of the operating range which is important for practical operation can be achieved.
  • the burner is particularly qualified for use in a combustion device of a gas turbine and is particularly qualified for a gas turbine in which relatively flammable fuels are to be burned.
  • the burner is by no means limited to the combustion of gaseous fuels; In principle, the burner can be operated in an appropriate configuration with any flowable fuel, in particular with heating oil and the like.
  • An embodiment of the invention can be seen from the drawing. This shows:
  • 1 shows a longitudinal section through a burner; 2 shows a diagram of a gas turbine
  • the burner shown in FIG. 1 is rotationally symmetrical with respect to axis 1. It has an outer jacket 2 and an inner jacket 3 coaxial with this. Neither the outer jacket 2 nor the inner jacket 3 have to be made in one piece; it is very possible and, for example for reasons of rational production, advantageous to assemble the outer casing 2 and / or the inner casing 3 from several parts, as shown.
  • the outer jacket 2 and the inner jacket 3 define an annular gap 4, through which an inlet 5 to an outlet 6 flows through a stream 7 (represented by arrows) of a gas containing oxygen.
  • a swirl grid 8 Arranged in the annular gap 4 is a swirl grid 8, consisting of a plurality of guide vanes 8, which imparts a swirl to the stream 7; this means that the current 7 executes a helical movement about the axis 1 behind the swirl grid 8. Accordingly, it does not only have velocity vectors that lie in radial-axial planes with respect to axis 1 and are accordingly oriented meridionally according to the technical terminology; behind the swirl grid 8, the velocity vectors also have components which are oriented tangentially to axis 1 or to circles, the center points of which lie on axis 1 and which lie in planes which are oriented perpendicular to axis 1. Such tangential components can also be referred to as "peripheral components" in accordance with the relevant terminology.
  • the guide vanes 8 have nozzles 9, through which a fuel, in particular a combustible gas, is fed to the stream 7. This mixes with the current initially without ignition, and the mixture formed ignites only in the area of the outlet 6. Accordingly, the burner is a premix burner.
  • An essential feature of the burner is that the arrangement of the outer jacket 2 and the inner jacket 3 is designed in such a way that the stream 7 flows through the annular gap 4 between the swirl grid 8 and the outlet 6 at an essentially constant median speed.
  • the annular gap 4 narrows significantly; This narrowing results mainly from the fact that the current 7 is partly guided radially inwards to the axis 1, so that it is sufficient to maintain a largely constant distance between the outer jacket 2 and the inner jacket 3.
  • the outer jacket 2 is expanded in a funnel-like manner in the region of the inlet 5 so that it opens at the inlet 5 in the manner of a rounded funnel or a lip, and the inner jacket 3 has a rounded edge 10 at the inlet 5.
  • the nozzles 9, which serve to feed the fuel, have already been pointed out. These nozzles 9 are arranged in the guide vanes 8 in order to ensure a particularly homogeneous mixing of the fuel into the stream 7 without the flow separating from the guide vanes 8 is coming.
  • the fuel is supplied to the nozzles 9 through a fuel line 11 and a fuel distribution chamber 12 arranged in a ring and on the inside on the inner jacket 3. From this fuel distribution chamber 12, the fuel can pass through channels (not shown) in the inner jacket 3 and the guide vanes 8 the nozzles 9 flow.
  • the geometry of the arrangement of the swirl grille 8, the outer casing 2 and the inner casing 3 is selected such that a swirl number, which determines the essential characteristics of the stream 7, when it flows in the meridional direction at the entrance 5 m enters the ring channel 4, is smaller than a critical swirl number, which results from the radius of the outer jacket 2 and the radius of the inner jacket 3 at the outlet 6.
  • the critical swirl number is defined in such a way that a cylindrical flow caused by a Channel with the mentioned radius of the outer jacket 2 flows along the axis 1, forms a vortex core, that is, an area surrounding the axis 1 from which the flow is displaced, which has a radius that corresponds to the radius of the inner jacket 3 at the outlet 6 corresponds.
  • the geometric structure of the burner has been developed with the help of common mathematical models.
  • the simple calculation model described above has Found sentence in which Tori is inscribed between the outer jacket 2 and the inner jacket 3, with the aid of which approximate values for the flow cross sections in the arrangement are determined.
  • the specification for the definition of the structure is that the flow cross sections over the entire relevant ring channel 4 must be constant.
  • the structure developed with the aid of the simple computing model was then optimized using the commercially available computer program TASCFLOW with regard to the desired constancy of the flow cross section via the ring channel 4.
  • the combustible mixture in stream 7 is ignited outside the burner.
  • a pilot burner 13 with a pilot burner 13 arranged inside the inner jacket 3 is provided for this purpose. It delivers a small one
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a gas turbine with a compressor part 15 for the intake and compression of air, a combustion part 16, to which the compressed air is fed, that also receives the fuel provided for combustion, and a turbine part 17, which is the one of the compressor part 15 compressed and in the combustion part 16 additionally heated current is released with the release of mechanical work.
  • the burner shown in FIG. 1 is provided for installation in a combustion part 16 together with a plurality of burners of the same type.
  • the burner according to the invention is characterized by features with which a stream of a gas passing through the burner is particularly favorable for the intended purpose being affected.
  • the burner is also characterized by particularly stable operation and avoids in particular operational malfunctions due to non-ideal flow or due to flashbacks.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pre-Mixing And Non-Premixing Gas Burner (AREA)
  • Gas Burners (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einer Achse (1) und einer bezüglich dieser rotationssymmetrischen Anordnung aus einem Aussenmantel (2) und einem dazu koaxialen Innenmantel (3). Diese definiert einen von einem Eintritt (5) zu einem Austritt (6) reichenden Ringspalt (4) zur Führung eines Stromes (7) eines Sauerstoff enthaltenden Gases. In dem Ringspalt (4) angeordnet ist eine Vielzahl von Düsen (9) zur Zuführung eines Brennstoffes zu dem Strom (7) sowie ein Drallgitter (8). Die Anordnung aus dem Aussenmantel (2) und dem Innenmantel (3) ist derart gestaltet, dass der Strom (7) den Ringspalt (4) zwischen dem Drallgitter (8) und dem Austritt (6) mit einer im wesentlichen konstanten meridionalen Geschwindigkeit durchfliesst. Der Brenner ist besonders geeignet zur Verwendung in einer Gasturbine (15, 16, 17).

Description

Beschreibung
Brenner, insbesondere für eine Gasturbine
Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einer Achse und ei¬ ner bezüglich dieser rotationssymmetrischen Anordnung aus ei¬ nem Außenmantel und einem dazu koaxialen Innenmantel, welche einen von einem Eintritt zu einem Austritt reichenden Ring¬ spalt zur Führung eines Stromes eines Sauerstoff enthaltenden Gases definiert, mit einer Vielzahl von in dem Ringspalt an¬ geordneten Düsen zur Zufuhrung eines Brennstoffes sowie einem m dem Ringspalt angeordneten Drallgitter.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen derartigen Brenner zur Verwendung in einer Gasturbine.
Ein derartiger Brenner ist aus der EP 0 193 838 Bl sowie dem Aufsatz "Eine wirtschaftliche Losung des NOx-Problems bei Gasturbinen" von H. Maghon, VGB Kraftwerkstechnik _68 (1988) , 799, entnehmbar. Eine Weiterbildung dieses Brenners geht her¬ vor aus der WO 92/19913 AI.
In diesem Zusammenhang von Interesse sind auch die
EP 0 589 520 AI sowie die US-Patente 5 165 241, 5 251 447, 5 323 604 und 5 351 477. Hinzuweisen ist auch auf den Aufsatz "Dry Low NOx-Combustιon Systems for GE Heavy-Duty Gas Tur- bines" von L.B. Davis, Prospekt GER-3568C der GE Industrial and Power Systems, Schenectady, NY, USA. Aus allen diesen Do¬ kumenten gehen Brenner bzw. Verbrennungsteile mit Brennern zur Verwendung in Gasturbinen hervor.
Zu einschlagigen Lehren der Stromungsmechanik, die im vor¬ liegenden Zusammenhang von Bedeutung sind, wird hingewiesen auf das Buch "Ventilatoren" von B. Eck, 5. Auflage, Springer- Verlag Berlin, Heidelberg und New York 1972, Kapitel C, Sei¬ ten 283 bis 285, sowie das Buch "Axialkompressoren" von J.H. Horlock, Verlag G. Braun, Karlsruhe 1967, DE, Ergänzung 4. Beide Bücher betreffen Ventilatoren, insbesondere Ventila¬ toren des axialen Typs, welche gekennzeichnet sind durch ein rotierendes Drallgitter, welches einen Strom eines Gases in Form eines drallfreien Stromes entlang einer Achse ansaugt und in Form eines drallbehafteten, beschleunigten Stromes entlang der Achse abgibt. Bei einem Brenner der beschriebenen Art gibt es ein feststehendes Drallgitter, welches von einem anderweitig beschleunigten, drallfreien Strom angeströmt wird und von dem dieser Strom mit einem Drall sowie einem gewissen Druckverluεt abgegeben wird. Die Konfiguration des Brenners ähnelt somit in vielerlei Beziehung der Konfiguration eines Ventilators, und wesentliche theoretische Grundlagen eines Ventilators sind unmittelbar anwendbar. Von besonderer Bedeu¬ tung ist im vorliegenden Fall ein Effekt, der an jedwedem mit einem Drall sich entlang einer Achse fortbewegenden Strom ei¬ nes Gases und unabhängig davon, wie dieser Strom bereitge¬ stellt wurde, auftritt. Dieser Effekt ist die Bildung eines Wirbelkerns im Inneren des Stromes, d. h., daß ein mit einem Drall sich fortbewegender Strom dazu neigt, sich zu einem Kreisring zu formen, so daß in einem die Achse umgebenden Zentralbereich einer zylindrischen Rohre, in der der Strom geführt wird, keine Strömung in Richtung des Stromes mehr stattfindet .
Der Strom eines Gases durch eine weitgehend beliebig wahlbare Anordnung von Begrenzungen, insbesondere durch einen Brenner, ist mit Mitteln der numerischen Mathematik berechenbar, wozu inzwischen entsprechende Computerprogramme kommerziell ange¬ boten werden. Solche Computerprogramme sind den einschlagig bewanderten und tatigen Personen bekannt unter den Namen TASCFLOW und FLUENT.
Ein Brenner der in der Einleitung genannten Art hat generell den Zweck, einen Brennstoff sicher und Schadstoffarm in einem Strom eines Sauerstoff enthaltenden Gases, insbesondere m verdichteter Luft, zu verbrennen. Zur Vermeidung der Bildung von Schadstoffen wie Stickoxiden und Kohlenmonoxid hat sich die Vormischverbrennung alε günstig erwiesen; dazu wird zu¬ nächst eine möglichst homogene Mischung von Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas gebildet, und erst diese Mischung wird entzündet. Für eine solche Mischung besteht generell die Mög- lichkeit der vorzeitigen Entzündung, insbesondere unter den Bedingungen, die in einer Gasturbine zu erwarten sind und insbesondere dann, wenn ein relativ leicht entzündlicher Brennstoff oder ein solcher mit hoher Flammgeschwindigkeit verwendet werden soll. Brennstoffe dieser Art sind z. B. Ga- se, die elementaren Wasserstoff enthalten, beispielsweise
Gase, die durch Kohlevergasung gewonnen werden, sowie Erdga¬ se, die hohe Anteile an längerkettigen Kohlenwasserstoffen, deren Zündtemperaturen deutlich niedriger liegen als die Zündtemperatur von Methan, aufweisen.
In einem Brenner, in dem eine derartige Vormischverbrennung realisiert ist, was in einigen der zitierten Dokumente be¬ schrieben ist, insbesondere in der EP 0 193 838 Bl sowie der WO 92/19913 AI, können weitere Probleme auftauchen, wenn der Brenner nicht ideal angeströmt wird und sich dadurch die Mi¬ schung des sauerstoffhaltigen Gases mit dem Brennstoff ver¬ schlechtert. In einem solchen Fall ergibt sich bei der Ver¬ brennung der Mischung eine inhomogene Temperaturverteilung und dementsprechend eine erhöhte Produktion von Stickoxiden; darüber hinaus begünstigt eine inhomogene Mischung eine vor¬ zeitige Entzündung. Diese Erwägungen stehen einer Realisie¬ rung der Vormischverbrennung in einer Gasturbine, in der ein leichtentzündlicher Brennstoff verbrannt werden soll, durch¬ aus entgegen. Sie zeigen auch, daß die Vormischverbrennung, wie sie bislang realisiert werden konnte, nicht frei von Pro¬ blemen war, insbesondere deshalb, weil eine vorzeitige Ent¬ zündung einer Mischung aus Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas relativ leicht einen großen Schaden an einem betroffenen Brenner verursachen kann.
Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Brenner anzu¬ geben, der so gestaltet ist, daß sich nach Möglichkeit keine Unregelmäßigkeiten in dem ihn durchströmenden Strom eines sauerstoffhaltigen Gases ausbilden und somit die Gefahr einer vorzeitigen Entzündung von Brennstoff in dem Strom vermieden ist .
Zur Losung dieser Aufgabe angegeben wird ein Brenner mit ei¬ ner Achse und einer bezüglich dieser rotationssymmetrischen Anordnung aus einem Außenmantel und einem dazu koaxialen In¬ nenmantel, welche einen von einem Eintritt zu einem Austritt reichenden Ringspalt zur Führung eines Stromes eines Sauer¬ stoff enthaltenden Gases definiert, mit einer Vielzahl von in dem Ringspalt angeordneten Düsen zur Zuführung eines Brenn¬ stoffes zu dem Strom sowie einem in dem Ringspalt angeordne¬ ten Drallgitter, wobei die Anordnung aus dem Außenmantel und dem Innenmantel derart gestaltet ist, daß der Strom den
Ringspalt zwischen dem Drallgitter und dem Austritt mit einer im wesentlichen konstanten meridionalen Geschwindigkeit durchfließt .
Das Merkmal der "im wesentlichen konstanten meridionalen Ge¬ schwindigkeit" bedeutet, daß die von dem Strom zu durchflie¬ ßende Anordnung dem Strom einen im wesentlichen konstanten meridionalen Stromungsquerschnitt entgegensetzen muß. Dieser Stromungsquerschnitt wird vielfach allerdings nicht bei- spielsweise senkrecht zu einer Symmetrieachse der zu durch¬ fließenden Struktur liegen, sondern entsprechend einem den Strom beschreibenden Vektorfeld winklig zur Symmetrieachse und transversal zu dem Vektorfeld zu bemessen sein.
In diesem Zusammenhang liefert ein einfaches Rechenmodell, welches den Strom nicht explizit berücksichtigen muß, eine gute Näherung zur Ermittlung des Stromungsquerschnitts ent¬ lang der zu durchströmenden Anordnung. In die Anordnung wer¬ den Tori einbeschrieben, welche sowohl die Oberflache des Außenmantels als auch die Oberflache des Innenmantels tan¬ gential berühren. Dabei liegen die Punkte, an denen ein sol¬ cher Torus den Außenmantel oder den Innenmantel berührt, auf einem Kreis auf dem Außenmantel bzw. einem Kreis auf dem In¬ nenmantel . Zwischen diese beiden Kreise eingespannt wird eine Kegelstumpfflache; diese hat einen Flächeninhalt, welcher m guter Näherung dem wirksamen Stromungsquerschnitt am Ort der Kegelεtumpffläche entεpricht.
Außerdem stehen auf kommerzieller Basis Computerprogramme zur Verfugung, mit denen Strome durch praktisch beliebig gestal¬ tete Anordnungen berechenbar sind. Den einschlägig bewander- ten und tatigen Personen sind beispielsweise die Computerpro¬ gramme TASCFLOW und FLUENT bekannt. Vorzugsweise wird ein solches Computerprogramm eingesetzt, um eine unter Benutzung des vorstehend beschriebenen einfachen Rechenmodells er¬ stellte Struktur zu optimieren. Zum vorliegenden Fall bemerkt sei, daß dieser aufgrund der vorliegenden Rotationssymmetrie grundsätzlich im Rahmen eines zweidimensionalen Modells be¬ handelbar ist; es gibt selbstverständlich keine grundsatzli¬ chen Einwände, vorliegenden Fall mit einem dreidimensionalen Modell zu behandeln.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß die Gewahrlei¬ stung einer konstanten meridionalen Geschwindigkeit für den Strom hinter dem Drallgitter, d. h. die Gewährleistung einer konstanten Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Stromes entlang der Achse bzw. in einer bezüglich der Achse radial-axialen
Ebene, sich in besonderer Weise stabilisierend auf den Strom und die in diesem Strom zu bildende Mischung aus dem Sauer¬ stoff enthaltenden Gas und dem Brennstoff auswirkt. Inεbeson¬ dere gewahrleistet diese Maßnahme, daß Störungen aufgrund ei- ner nicht-idealen Anströmung des Brenners unterdruckt werden. Ein notwendiges Druckgefalle, welches sich über dem Brenner einstellen muß, wird zu einem wesentlichen Teil zwiscnen dem Eintritt und dem Drallgitter abgebaut. Damit ist auch αie Ge¬ fahr verhindert, daß hinter dem Drallgitter Störungen m dem Strom entstehen. Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung des Brenners ist die Anordnung aus dem Außenmantel und dem Innenmantel derart gestaltet, daß sich der Ringspalt zwischen dem Eintritt und dem Drallgitter verengt. Hierzu lεt der Außenmantel msbeson- dere εo gestaltet, daß er sich am Eintritt nach Art einer Lippe oder eines abgerundeten Trichters öffnet; der Innen¬ mantel ist am Eintritt insbesondere mit einer abgerundeten Kante ausgestattet. Dies tragt bei zu einer Homogenisierung des den Brenner durchsetzenden Stromes und vermeidet, daß sich Störungen, die sich vor dem Brenner in dem Strom ausge¬ bildet haben, in den Brenner hinein fortsetzen.
Bevorzugt ist eε auch, daß die in dem Ringεpalt angeordneten Düsen zur Zufuhrung eines Brennstoffeε in dem Drallgitter an- geordnet sind. Hierzu besteht das Drallgitter insbesondere auε hohlen Leitschaufeln, in denen die Düsen angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine besonders homogene Einmischung des Brennstoffes in den Strom erreicht werden, was wahrend der Verbrennung eine gleichmäßige Temperaturverteilung in dem Strom gewährleistet und somit der übermäßigen Entstehung von Stickoxiden wirksam vorbeugt.
Mit besonderem Vorzug ist der Brenner derart ausgebildet, daß eine von dem Drallgitter, einem Radius des Außenmantels und einem Radius des Innenmantels, beide Radien zu bestimmen am Austritt, definierte Drallzahl, welche berechenbar ist als Quotient zwischen einem Drehimpuls als Dividend und einem Produkt aus einem meridionalen Impuls und dem Radius des Außenmantels als Divisor, wobei der Drehimpuls und der meri- dionale Impuls den Strom am Austritt charakterisieren, wenn dieser den Eintritt ohne Drall anströmt, kleiner ist als eine kritische Drallzahl, welche bestimmt ist durch die Radien. Die Forderung, die der entsprechenden Ausgestaltung deε Bren¬ ners zugrunde liegt, ist beKannt als "Nabenkriterium von Strscheletzky" . Zunächst sei darauf hingewiesen, daß die Drallzahl zwar aus charakteristischen Großen des Stromes, namlich der Große ei¬ ner meridionalen Komponente seineε Impulses sowie der Größe seines Drehimpulses, welcher wesentlich von dem Drallgitter bestimmt wird, berechenbar ist, daß die Drallzahl aber den¬ noch eine charakteriεtiεche Kenngroße deε Brennerε selbst ist. Dies ergibt sich auε den εtrömungεmechaniεchen Ahnlich- keitεbeziehungen.
Der Begriff der "kritischen Drallzahl" ist geprägt worden auf der Grundlage der Beobachtung, daß sich in der Nähe der Achse eines sich mit einem Drall entlang der Achεe bewegenden Stro¬ mes ein sogenannter Wirbelkern ausbildet, d. h. ein Gebiet, aus dem der Strom im wesentlichen verdrangt wird. Urεache hierfür sind beispielsweise Zentrifugalkräfte. Der Durchmes¬ ser dieses Wirbelkerns lεt der Berechnung zugänglich; εiehe hierzu die zitierten Bucher. Grundsatzlich εteigt der Durch- meεεer deε Wirbelkerns mit zunehmender Drallzahl. Soll sich nun der Strom bewegen in einem Kreisring, welcher definiert ist durch den Radius deε Außenmantelε deε Brennerε alε Außen- radiuε und den Radius den Innenmantels als Innenradius, so kann ein Anliegen der Strömung am Innenmantel nur dann ge¬ wahrleistet sein, wenn der sich zu dem gegebenen Außenradius und der gegebenen Drallzahl ergebende Radius des Wirbelkerns kleiner ist als der Innenradius. Ist der Radius des Wirbel¬ kerns großer als der Innenradius, so bedeutet dies, daß eε zu einer Ablöεung der Strömung vom Innenmantel kommt, mit der εich in unmittelbar einsichtiger Weise ergebenden Gefahr, daß es zu einer Ruckstromung in den Brenner hinein und zu einer erheblichen Gefahr der vorzeitigen Entzündung des Brennstof¬ fes in dem Strom kommt. Die kritische Drallzahl ist in diesem Zusammenhang definiert als diejenige Drallzahl, bei welcher der Radiuε deε Wirbelkernε des Stromeε genau dem Innenradius, d. h. dem Radiuε des Innenmantels, entspricht.
Die wie erläutert definierte Drallzahl des Brennerε wird vor¬ zugsweise deutlich kleiner als die kritische Drallzahl ge- wählt; insbesondere betragt die Drallzahl des Brenners zwi¬ schen 75 % und 97 % der kritischen Drallzahl und liegt beson¬ ders bevorzugt bei etwa 90 % der kritischen Drallzahl. Hier¬ durch ist zwischen der tatsächlichen Geometrie des Brennerε und einer alε "kritisch" anzusehenden Geometrie ein gewisser Sicherheitsabstand und somit gewiεεermaßen eine quantitative Sicherheit gegen eine Ablösung der Strömung vom Innenmantel gegeben.
Der Brenner jedweder Ausgestaltung ist vorzugsweise versehen mit einer Pilotbrenneinrichtung. Dieεe Pilotbrenneinrichtung umfaßt insbesondere einen m dem Innenmantel angeordneten Pi- lotbrenner, welcher eine kleine, stabil brennende Flamme lie¬ fert, an der sich die in dem Brenner selbst gebildete Mi- schung aus Sauerstoff enthaltendem Gas und Brennstoff ent¬ zünden kann. Dies ist dann von Bedeutung, wenn eine Regelung der Brennstoffzufuhr und damit eine Regelung der Warmepro- duktion des Brenners erwünscht ist. Es hat εich gezeigt, daß eine Vormischverbrennung ohne Stabilisierung nur in einem re- lativ engen Betriebsbereich, gekennzeichnet durch eine re¬ lativ genau einzuhaltende chemiεche Zusammensetzung, stabil ist. Wird mit einer entsprechenden Pilotbrenneinrichtung je¬ doch zusätzliche Stabilisierung bereitgestellt, so kann eine für den praktischen Betrieb wichtige Erweiterung des Be- triebsbereichs erreicht werden.
Der Brenner ist besonders qualifiziert zum Einsatz in einer Verbrennungεeinπchtung einer Gasturbine und ist insbesondere qualifiziert für eine Gasturbine, in der relativ leicht ent- zundliche Brennstoffe verbrannt werden sollen. Der Brenner ist dabei durchaus nicht beschrankt auf die Verbrennung gas¬ formiger Brennstoffe; grundsatzlich kann der Brenner in ent¬ sprechender Ausgestaltung mit jedwedem fließfahigen Brenn¬ stoff, insbeεondere mit Heizöl und dergleichen, betrieben werden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung geht aus der Zeichnung hervor. Diese zeigt:
In FIG 1 einen Längsschnitt durch einen Brenner; in FIG 2 ein Schema einer Gasturbine
Der in FIG 1 dargestellte Brenner ist bezüglich der Achse 1 rotationssymmetrisch. Er hat einen Außenmantel 2 und einen zu diesem koaxialen Innenmantel 3. Weder der Außenmantel 2 noch der Innenmantel 3 müssen jeweils einteilig ausgeführt sein; es ist sehr wohl möglich und, beispielεweiεe auε Gründen der rationellen Fertigung, vorteilhaft, den Außenmantel 2 und/oder den Innenmantel 3, wie gezeigt, aus mehreren Teilen zusammenzusetzen. Der Außenmantel 2 und der Innenmantel 3 de- finieren einen Ringspalt 4, welcher von einem Eintritt 5 zu einem Austritt 6 von einem Strom 7 (durch Pfeile dargestellt) eines Sauerstoff enthaltenden Gases durchströmt wird. Im Ringspalt 4 angeordnet ist em Drallgitter 8, bestehend aus einer Mehrzahl von Leitschaufeln 8, welches dem Strom 7 einen Drall aufprägt; dies bedeutet, daß der Strom 7 hinter dem Drallgitter 8 eine schraubenförmige Bewegung um die Achse 1 ausführt. Er hat demgemäß also nicht allein Geschwindig¬ keitsvektoren, die in bezüglich der Achse 1 radial-axialen Ebenen liegen und dementsprechend gemäß der fachmannischen Terminologie meridional orientiert sind; die Geschwindig¬ keitsvektoren haben hinter dem Drallgitter 8 auch Komponen¬ ten, die tangential zur Achse 1 bzw. zu Kreisen, deren Mit¬ telpunkte auf der Achse 1 liegen und die in Ebenen liegen, welche senkrecht zur Achse 1 ausgerichtet sind, orientiert sind. Solche tangentialen Komponenten können entsprechend der einschlagigen Terminologie auch als "Umfangskomponenten be¬ zeichnet werden.
Die Leitschaufeln 8 weisen Düsen 9 auf, durch welche dem Strom 7 ein Brennstoff, insbesondere em brennbares Gas, zu¬ geführt wird. Dieser vermiεcht sich mit dem Strom zunächst ohne Entzündung, und die gebildete Mischung entzündet sich erst im Bereich des Austrittes 6. Dementsprechend ist der Brenner ein Vormischbrenner.
Em wesentliches Merkmal des Brenners ist, daß die Anordnung aus dem Außenmantel 2 und dem Innenmantel 3 derart gestaltet ist, daß der Strom 7 den Ringspalt 4 zwischen dem Drallgitter 8 und dem Austritt 6 mit einer im wesentlichen konstanten me¬ ridionalen Geschwindigkeit durchfließt. Dies bedeutet, daß der Strom 7 in seiner Ausbreitungsrichtung, d. h. in einer bezüglich der Achse 1 meridionalen Richtung, keinerlei Be¬ schleunigung oder Verzögerung erfahren soll. Hierzu bedarf es einer sorgfältigen Auslegung insbesondere des Außenmantels 2 und des Innenmantels 3, da es erwünscht sein kann und im dar¬ gestellten Beispiel realisiert ist, daß der Strom 7 sich nicht einfach parallel zur Achse 1 bewegt, sondern eme teil¬ weise radial einwärts zur Achse 1 gerichtete Bewegung aus¬ führt. Diese Bewegung nach innen muß ausgeglichen werden durch eine entsprechende Erweiterung des jeweiligen Abstandes zwischen dem Außenmantel 2 und dem Innenmantel 3; dies ist aus der Zeichnung deutlich erkennbar.
Vor dem Drallgitter 8 verengt sich der Ringspalt 4 deutlich; diese Verengung ergibt sich hauptsächlich dadurch, daß der Strom 7 teilweise radial einwärts zur Achse 1 geführt wird, so daß es ausreicht, zwischen dem Außenmantel 2 und dem In¬ nenmantel 3 einen weitgehend konstanten Abstand einzuhalten. Unterstützend ist der Außenmantel 2 im Bereich des Eintritts 5 etwa trichterartig erweitert, so daß er sich am Eintritt 5 nach Art eines abgerundeten Trichters oder einer Lippe öff- net, und der Innenmantel 3 hat am Eintritt 5 eme abgerundete Kante 10.
Auf die Düsen 9, die der Zustellung des Brennstoffeε dienen, wurde bereits hingewiesen. Diese Düsen 9 smd in den Leit- schaufeln 8 angeordnet, um somit eine besonders homogene Ein¬ mischung des Brennstoffes in den Strom 7 sicherzustellen, ohne daß es zu Ablösungen der Strömung von den Leitschaufeln 8 kommt. Die Zuführung von Brennstoff zu den Düsen 9 ge¬ schieht durch eine Brennstoffleitung 11 und einen ringförmig und innenseitig am Innenmantel 3 angeordneten Brennstoffver¬ teilraum 12. Aus diesem Brennstoffverteilraum 12 kann der Brennstoff durch (nicht dargestellte) Kanäle im Innenmantel 3 und den Leitschaufeln 8 zu den Düsen 9 fließen.
Die Geometrie der Anordnung aus dem Drallgitter 8, dem Au¬ ßenmantel 2 und dem Innenmantel 3 ist, wie bereits oben em- gehend erläutert, derart gewählt, daß eine Drallzahl, welche wesentliche Kennzahlen des Stromes 7 bestimmt, wenn dieser in meridionaler Richtung am Eintritt 5 m dem Ringkanal 4 ein¬ tritt, kleiner ist als eine kritische Drallzahl, welche sich ergibt aus dem Radius des Außenmantels 2 und dem Radius deε Innenmantels 3 am Austritt 6. Die kritische Drallzahl ist derart definiert, daß eine zylindrische Strömung, die durch einen Kanal mit dem genannten Radius des Außenmantels 2 ent¬ lang der Achse 1 strömt, einen Wirbelkern ausbildet, also ein die Achse 1 umgebendes Gebiet, aus dem die Strömung verdrangt ist, welches einen Radius hat, der dem Radius des Innenman¬ tels 3 am Austritt 6 entspricht. Falls die Strömung m dem Ringspalt 4 eine Drallzahl hat, die die kritische Drallzahl überschreitet, so bedeutet dies, daß sich am Austritt 6 in dieser Strömung em Wirbelkern bildet, der einen größeren Ra- dius hat als der Innenmantel 3 im Bereich des Austritts 6. In einem solchen Fall könnte der Strom 7 im Bereich des Aus¬ tritts 6 nicht mehr am Innenmantel 3 anliegen, sondern müßte sich von diesem ablösen. Dann aber müßte sich am Innenmantel 3 ein Ruckstromgebiet ausbilden, in welchem Gas m den Ring- kanal 4 zurückströmen konnte. Hiermit wäre eine erhebliche
Gefahr der vorzeitigen Entzündung des brennbaren Gemisches in dem Strom 7 verbunden. Dementsprechend ist der Brenner so ausgelegt, daß diese Gefahr auεgeεchlossen ist.
Die geometrische Struktur des Brenners ist erarbeitet worden unter Zuhilfenahme geläufiger mathematischer Modelle. Dabei hat zunächst das oben beschriebene einfache Rechenmodell Ein- satz gefunden, bei dem zwiεchen den Außenmantel 2 und den In¬ nenmantel 3 Tori einbeεchrieben werden, mit deren Hilfe Nähe¬ rungswerte für die Stromungsquerschnitte in der Anordnung be¬ stimmt werden. Die Vorgabe zur Feεtlegung der Struktur lautet dahingehend, daß die Stromungεquerεchnitte über den geεamten maßgeblichen Ringkanal 4 konstant sein müssen. Die mit Hilfe des einfachen Rechenmodells erarbeitete Struktur wurde an¬ schließend unter Benutzung deε kommerziell verfugbaren Compu¬ terprogramms TASCFLOW hinsichtlich der gewünschten Konstanz des Stromungsquerschnitts über den Ringkanal 4 optimiert.
Die Entzündung des brennbaren Gemisches in dem Strom 7 er¬ folgt außerhalb des Brennerε. Hierfür vorgeεehen lεt eme Pi- lotbrennemrichtung 13 mit einem im Inneren deε Innenmantels 3 angeordneten Pilotbrenner 13. Dieser liefert eme kleine
Flamme, welche sicherstellt, daß sich die brennbare Mischung in dem Strom 7 entzündet. Um eine Flamme an dem Pilotbrenner 13 zu entzünden und aufrechtzuerhalten, ist ein Zunder 14 vorgesehen. Für den Fall, daß von einer besonderen Pilot- brennemrichtung 13, 14 abgesehen wird, ist selbεtverεtand- lich ein abgewandelter Zunder zur Entzündung der Miεchung vorzuεehen.
FIG 2 zeigt eme schematische Darstellung einer Gasturbine mit einem Verdichterteil 15 zur Ansaugung und Verdichtung von Luft, einem Verbrennungεteil 16, dem die verdichtete Luft zu¬ geführt wird, daε außerdem den zur Verbrennung vorgeεehenen Brennεtoff erhalt, und einem Turbinenteil 17, m dem der von dem Verdichterteil 15 verdichtete und in dem Verbrennungsteil 16 zuεatzlich erhitzte Strom unter Abgabe mechanischer Arbeit entspannt wird. Der m FIG 1 dargestellte Brenner ist vorge¬ εehen zum Einbau in em Verbrennungεteil 16 zuεammen mit ei¬ ner Mehrzahl gleichartiger Brenner.
Der erfindungsgemaße Brenner ist gekennzeichnet durch Merk¬ male, mit welchen ein den Brenner durchεetzender Strom eines Gaseε in für den angestrebten Zweck besonders gunstiger Weise beeinflußt wird. Der Brenner zeichnet εich auε durch einen besonders stabilen Betrieb und vermeidet inεbeεondere be¬ triebliche Störungen aufgrund nicht-idealer Anεtrömung oder durch Flammenrückεchläge.

Claims

Patentanεprüche
1. Brenner mit einer Achεe (1) und einer bezüglich dieser rotationssymmetrischen Anordnung aus einem Außenmantel (2) und einem dazu koaxialen Innenmantel (3), welche einen von einem Eintritt (5) zu einem Auεtritt (6) reichenden Ringεpalt (4) zur Führung eines Stromes (7) eines Sauerstoff enthalten¬ den Gases definiert, mit einer Vielzahl von in dem Ringspalt (4) angeordneten Düsen (9) zur Zufuhrung eines Brennstoffeε zu dem Strom (7) sowie einem in dem Ringspalt (4) angeordne¬ ten Drallgitter (8), dadurch gekennzeichnet, daß die Anord¬ nung auε dem Außenmantel (2) und dem Innenmantel (3) derart geεtaltet ist, daß der Strom (7) den Ringspalt (4) zwischen dem Drallgitter (8) und dem Auεtritt (6) mit einer im weεent- liehen konstanten meridionalen Geschwindigkeit durchfließt.
2. Brenner nach Anspruch 1, bei dem die Anordnung aus dem Außenmantel (2) und dem Innenmantel (3) derart gestaltet ist, daß sich der Ringspalt (4) zwischen dem Eintritt (5) und dem Drallgitter (8) verengt.
3. Brenner nach Anspruch 2, bei dem der Außenmantel (2) sich am Eintritt (5) nach Art einer Lippe öffnet.
4. Brenner nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Innenmantel (3) am Eintritt (5) eine abgerundete Kante (10) hat.
5. Brenner nach einem der vorhergehenden Anεpruche, bei dem die Düsen (9) in dem Drallgitter (8) angeordnet smd.
6. Brenner nach Anspruch 5, bei dem das Drallgitter (8) aus Leitschaufeln (8) besteht und die Duεen (9) in den Leitschau¬ feln (8) angeordnet smd.
7. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem a) das Drallgitter (8), ein Radius des Außenmantels (2) und ein Radius des Innenmantels (3), welche Radien am Auεtritt (6) bestimmt sind, eine Drallzahl definieren, welche ein Quo¬ tient zwischen einem Drehimpuls als Dividend und einem Pro¬ dukt aus einem meridionalen Impulε und dem Radius des Außen¬ mantels (2) als Divisor ist, wobei der Drehimpuls und der meridionale Impuls den Strom (7) am Austritt (6) charakteri¬ sieren, wenn dieser den Eintritt (5) ohne Drall anströmt; b) die Drallzahl kleiner ist als eine kritische Drallzahl, welche bestimmt ist durch die Radien.
8. Brenner nach Anspruch 7, bei dem die Drallzahl zwischen 75 Prozent und 97 Prozent der kritischen Drallzahl beträgt.
9. Brenner nach Anεpruch 8, bei dem die Drallzahl etwa 90 Prozent der kritischen Drallzahl beträgt.
10. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher eine Pilotbrenneinrichtung (13,14) hat.
11. Brenner nach Anspruch 10, bei dem die Pilotbrenneinrich- tung (13,14) einen in dem Innenmantel (3) angeordneten Pilot¬ brenner (13) umfaßt.
12. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher in einem Verbrennungsteil (16) einer Gasturbine (15,16,17) eingesetzt ist.
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