EP0987491A1 - Verfahren zur Verhinderung von Strömungsinstabilitäten in einem Brenner - Google Patents
Verfahren zur Verhinderung von Strömungsinstabilitäten in einem Brenner Download PDFInfo
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Definitions
- the present invention relates to the field of burners, in particular the burner for use in gas turbines. It relates to a device and a Method for operating a burner, in which a combustion air flow Fuel is transported to a combustion chamber, where the fuel is burned.
- thermoacoustic oscillations triggered by fluctuations in reaction rates.
- These largely coherent waves lead to a burner of the above Kind in typical operating conditions for vibrations with frequencies of about 100 Hz. Since this frequency with typical fundamental eigenmodes of of many ring burners of gas turbines coincide, the thermoacoustic ones Oscillations are a problem.
- the invention is therefore based on the object, a device or a To provide burner, as well as a method, which the training of coherent flow instabilities of the combustion air flow after exiting the Prevents combustion chamber.
- a first preferred embodiment of the invention is characterized in that that the coherent flow instabilities after the combustion air flow exits into the combustion chamber due to shear layers between the combustion air flow and essentially stationary hot gases occur in the combustion chamber, and that the fault air attacks these shear layers. Then is preferred the fault air is substantially perpendicular to a main flow direction of the Combustion air flow and substantially parallel to the shear layers, preferred even injected into the shear layers, into the combustion air flow. Thereby the formation of Kelvin-Helmholz waves in the direction of flow is targeted in the Core suffocated.
- Another embodiment of the invention is characterized in that it the burner is a double cone burner that the injection of the Fault air occurs through fault nozzles, and that the fault air is immediately at the front edges of the half-cones take place where the shear layers form. Furthermore, the fault nozzles are preferred evenly in certain Distances distributed on the circumferences of the front edges of the half-cones, so the periodicity of the waves on the shear layers is disturbed, which prevents of the thermoacoustic oscillations in the seeds of their formation.
- ⁇ is the growth exponent of the disturbance in 1 / s
- U 0 is the edge speed at the shear layer 10
- k z is the component of the wave vector along z, ie in the transverse direction.
- the idea now is to induce a suitable transverse disturbance in the shear layer to prevent the Kelvin-Helmholtz waves.
- the thickness of the shear layer 10 should actually be calculated at the point of the wave refraction.
- FIG. 5 shows various views of a double-cone burner, on the basis of which the technical implementation of the principle described above is to be shown.
- Figure 5a shows a perspective view of a double-cone burner.
- the combustion air 14 passes laterally through the entry slots 23 with slightly shifted Hollow half-cones 18 and 21 arranged in axes flow to the front end of the burner under the description of a slight curve, and occurs after passing the front edges 24 of the cones from the burner 26 into the combustion chamber.
- a cylindrical part 20 At the tapered end of the halyards 18 and 21 is a cylindrical part 20, in which is arranged a fuel nozzle which in this case liquid Fuel is injected centrally between the two half cones 18 and 21.
- the combustion air flow 14 envelops the injected fuel and a fuel cone is formed, which widens towards the front, and which after leaving the Combustion chamber 28 burns in the flame 17 at the burner mouth 27.
- FIG. 5c shows a view from above of the double-cone burner 26.
- the spacing of the interference nozzles 16 is easy to understand.
- the transversal disturbance so that the 5 cm mentioned in the numerical example above results in wavelength ⁇ z , must take place in such a way that the disturbance nozzles 16 generate disturbance air streams 22 which are 5 cm apart in the x direction, ie in the flow direction of the combustion air stream 15.
- FIG. 5d) shows a schematic front view of a double-cone burner 26.
- the orthogonal flow of the two air flows 15 and 22 can again be seen. It is important that the injected air 22 does not have any strong, inward-facing components so that the main air flow 15 is not disturbed.
- the total pressure of the injection of the disturbance air 22 must be at least as high as the total pressure of the combustion air 15 flowing past, so that significant transverse disturbances can form at all.
Landscapes
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Abstract
Description
- Fig. 1
- zeigt eine schematische Darstellung einer Scherschicht und die in der Beschreibung verwendeten Grössen inkl. Koordinatensystem;
- Fig. 2
- zeigt den dimensionslosen Wachstumskoeffizienten als Funktion der dimensionslosen Wellenlänge;
- Fig. 3
- zeigt die dimensionslose Wellenzahl mit maximalem Wachstum als Funktion der dimensionslosen transversalen Komponente des Wellenvektors;
- Fig. 4
- zeigt den dimensionslosen Wachstumsfaktor als Funktion der dimensionslosen transversalen Komponente des Wellenvektors; und in
- Fig. 5
- sind schematische Darstellungen eines Doppelkegelbrenners mit Störungsdüsen abgebildet. a) perspektivische Ansicht, b) Schnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung durch Störungsdüse, c) Ansicht von oben, d) Ansicht von vorn.
- 10
- Scherschicht
- 11
- Maximum des dimensionslosen Wachstumskoeffizienten
- 12
- Bereich ohne Wachstum
- 13
- Bereich mit Wachstum
- 14
- Verbrennungsluftstrom bei Eintritt
- 15
- Gemisch von Verbrennungsluft und Brennstoff nach Austritt
- 16
- Störungsdüsen
- 17
- Flamme
- 18
- erster Halbkonus
- 19
- Brennstoffdüse
- 20
- zylindrischer Teil des Brenners
- 21
- zweiter Halbkonus
- 22
- Störungsluft
- 23
- Eintrittsschlitz
- 24
- Vorderkante des Halbkonus
- 25
- Leitung zu 16
- 26
- Brenner
- 27
- Brennermündung
- 28
- Brennkammer
Claims (20)
- Verfahren zum Betrieb eines Brenners (26), bei welchem ein Verbrennungsluftstrom (14) Brennstoff in eine Brennkammer (28) transportiert, wo der Brennstoff verbrannt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
Störungsluft (22) in den Verbrennungsluftstrom (15) eingedüst wird, um die Ausbildung von kohärenten Strömungsinstabilitäten des Verbrennungsluftstroms (15) nach Austritt in die Brennkammer (28) zu verhindern. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (26) ein Brenner (26) ohne Vormischstrecke ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (26) mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betrieben wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die kohärenten Strömungsinstabilitäten nach Austritt des Verbrennungsluftstroms (15) in die Brennkammer (28) infolge Scherschichten (10) zwischen dem austretenden Gemisch von Verbrennungsluft und Brennstoff (15) und im wesentlichen stationären Heissgasen in der Brennkammer (28) bilden.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsinstabilitäten infolge Kelvin-Helmholtz-Wellen auf den Scherschichten (10) auftreten.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Störungsluft (22) im wesentlichen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Verbrennungsluftstroms (15) und im wesentlichen parallel zu den Scherschichten (10) in den Strom des Gemisches von Verbrennungsluft und Brennstoff (15) eingedüst wird.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Störungsluft im wesentlichen in die Scherschichten (10) zwischen Verbrennungsluftstrom (15) und im wesentlichen stationären Heissgasen in der Brennkammer (28) eingedüst wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Störungsluft (22) im wesentlichen kurz vor dem Austritt des Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisches (15) in die Brennkammer (28) ins Gemisch (15) eingedüst wird.
- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (26) ein Doppelkegelbrenner ist, bei welchem Verbrennungsluft (14) durch wenigstens zwei Eintrittsschlitze (23) tangential zwischen verschoben angeordnete, hohle Halbkonusse (18,21) eintritt und dort in Richtung der Brennkammer (28) strömt, dass auf der der Brennkammer abgewandten, verjüngten Seite der Halbkonusse (18,21) der Brennstoff zentral eingedüst wird, und/oder dass gasförmiger Brennstoff aus zwei den Lufteintrittsschlitzen entlang verlaufenden Gaszufuhrrohren durch Bohrungsreihen quer in die eintretende Luftströmung eingedüst wird, dass die Halbkonusse (18,21) brennkammerseitig von Vorderkanten (24) begrenzt werden, und dass Eindüsung von Störungsluft (22) durch Störungsdüsen (16) erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Störungsdüsen (16) im wesentlichen unmittelbar vor den Vorderkanten (24) in den Halbkonussen (18,21) eingelassen sind, und dass die Störungsdüsen (16) die Störungsluft (22) in den Verbrennungsluftstrom (15) und im wesentlichen in die unmittelbar hinter den Vorderkanten (24) entstehenden Scherschichten (10) eindüsen.
- Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Störungsdüsen (16) angeordnet sind, und dass die Störungsdüsen (16) gleichmässig auf den Umfängen der Halbkonusse (18,21) verteilt die Störungsluft (22) eindüsen.
- Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beabstandung der gleichmässig auf den Halbkonussen (18,21) verteilten Störungsdüsen (16) Störungen erzeugt, welche ein Anwachsen der kohärenten Strömungsinstabilitäten des Verbrennungsluftstroms (15) verhindern, indem eine dimensionslose Komponente des Wellenvektors senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der Verbrennungsluft (22) erzeugt wird, die betragsmässig grösser als ein kritischer Wert ist.
- Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der kritische Wert 1.278 ist, und dass entsprechend die Beabstandung der Störungsdüsen (16) als Funktion einer ohne Störungsdüsen (16) auftretenden Frequenz der kohärenten Strömungsinstabilitäten des Verbrennungsluftstroms (15) gewählt wird.
- Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Totaldruck der Eindüsung der Störungsluft (22) wenigstens so gross ist, wie der Totaldruck der vorbeiströmenden Verbrennungsluft (14,15).
- Brenner (26) zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (26) als Doppelkegelbrenner ausgebildet ist, bei welchem Verbrennungsluft (14) durch wenigstens zwei Eintrittsschlitze (23) tangential zwischen verschoben angeordnete, hohle Halbkonusse (18,21) eintritt und dort in Richtung der Brennkammer (28) strömt, dass die Halbkonusse (18,21) brennkammerseitig von Vorderkanten (24) begrenzt werden, und dass die Eindüsung von Störungsluft (22) durch Störungsdüsen (16) erfolgt, welche unmittelbar vor der Vorderkante (24) der Halbkonusse (18,21) in den Halbkonussen (18,21) derart eingelassen sind, dass sie Störungsluft (22) senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der Verbrennungsluft (15) von der Aussenseite der Halbkonusse (18,21) her in die zur Brennkammer (28) strömende Verbrennungsluft (15) eindüsen.
- Brenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Störungsdüsen (16) derart in den Halbkonussen (18,21) angeordnet sind, so dass sie die Störungsluft (22) im wesentlichen in die hinter der Vorderkante auftretenden Scherschichten (10) eindüsen.
- Brenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Störungsdüsen (16) angeordnet sind, und dass die Störungsdüsen (16) gleichmässig auf den Umfängen der Halbkonusse (18,21) verteilt sind.
- Brenner nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichmässige Beabstandung der Störungsdüsen (16) derart gewählt ist, dass sie gleich oder kleiner ist als ein kritischer Wert, und dass sich der kritische Wert aus der Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft und der beim Brenner ohne Störungsdüsen (16) auftretenden Frequenz der kohärenten Strömungsinstabilitäten des Verbrennungsluftstroms (15) ergibt.
- Brenner (26) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich der kritische Wert als mit 0.312 multiplizierter Quotient der Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft (15) und der beim Brenner ohne Störungsdüsen (16) auftretenden Frequenz der kohärenten Strömungsinstabilitäten des Verbrennungsluftstroms (15) ergibt.
- Brenner (26) nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer beim Brenner (26) ohne Störungsdüsen (16) auftretenden Frequenz der kohärenten Strömungsinstabilitäten des Verbrennungsluftstroms (15) im Bereich von 100 bis 125 Hz und einer Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft (15) im Bereich von 20 bis 30 m/s die Störungsdüsen (16) auf den Halkonussen (18,21) eine Beabstandung im Bereich von 3 bis 5 cm, insbesondere im Bereich von 4.5 bis 5cm aufweisen.
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