EP0987491B1 - Verfahren zur Verhinderung von Strömungsinstabilitäten in einem Brenner - Google Patents

Verfahren zur Verhinderung von Strömungsinstabilitäten in einem Brenner Download PDF

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EP0987491B1
EP0987491B1 EP98810924A EP98810924A EP0987491B1 EP 0987491 B1 EP0987491 B1 EP 0987491B1 EP 98810924 A EP98810924 A EP 98810924A EP 98810924 A EP98810924 A EP 98810924A EP 0987491 B1 EP0987491 B1 EP 0987491B1
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EP
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air
fuel
combustion
disturbance
burner
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EP98810924A
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Christian Oliver Dr. Paschereit
Jakob Prof. Dr. Keller
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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    • 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
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    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
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    • F23D—BURNERS
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    • F23D2206/10—Turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2210/00—Noise abatement

Definitions

  • the present invention relates to Method for operating a burner, according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates also to a burner according to the preamble of claim 2.
  • EP-B1-0 321 809 is a burner for liquid and gaseous fuels known with premix, in which externally supplied combustion air moved tangentially between at least two entry slots arranged, hollow half-cones enters and there in the direction of the combustion chamber flows, and in which on the side facing away from the combustion chamber, the tapered side the half-cones of the liquid fuel is injected centrally.
  • the fuel will so to speak, captured and "enveloped" by the combustion air, so that forms a conical liquid fuel profile between the half-cones, which expands in the direction of the combustion chamber and burns there.
  • gaseous Fuel is taken from fuel supply pipes that run along the air intake slots run, injected through rows of holes across the incoming air.
  • thermoacoustic oscillations are primarily responsible for an important class 1 of reaction rate variations induced thermoacoustic oscillations.
  • These largely coherent waves result in a burner of the above Type under typical operating conditions to vibrations with frequencies of about 100 Hz. Since this frequency has typical fundamental eigenmodes of Of many torches of gas turbines coincide, represent the thermoacoustic Oscillations are a problem.
  • EP-A2-0 851 172 discloses a burner for operating a combustion chamber with a liquid and / or gaseous fuel.
  • a burner for operating a combustion chamber with a liquid and / or gaseous fuel the required combustion air passed through tangential air inlet channels in an interior of the burner.
  • This flow is created in the interior of a swirl flow, which at the output of Burner induces a backflow zone.
  • At least one zone is provided in each part body forming the burner, within which inlet openings for the injection of additional air into the swirl flow are provided.
  • this injection forms on the inner wall of the body part Film, which prevents the flame along the inner wall of the part body in the interior of the burner can strike back.
  • the invention is therefore based on the object a procedure and to provide a burner for carrying out the method, which provides for the formation of coherent flow instabilities of the combustion air flow after exiting into the Combustion chamber prevented.
  • Another embodiment of the invention is characterized in that it the burner is a double - cone burner, that the injection of the Disturbance air through interference nozzles, and that the disturbance air directly at the leading edges of the half-cones takes place where the shear layers form. Furthermore, it is preferred that the disturbance nozzles be uniform in certain Distributes intervals on the sizes of leading edges of half-cones, becomes so the periodicity of the waves on the shear layers disrupted what the prevention the thermoacoustic oscillations targeted causes in the nucleus of their formation.
  • FIG. 1 shows a section through an idealized shear layer 10, as assumed for the subsequent calculations.
  • the shear layer 10 is of a thickness h, and the coordinate system is laid so that the axes x and z are in the shear layer, the axis y is perpendicular thereto, and the main flow direction (longitudinal) is along x.
  • the origin of the coordinate system is such that the thickness of the shear layers 10 extends along y from -h / 2 to + h / 2, and that the layer at the top in the figure moves along x at a velocity U o Moves to the right, while the layer shown in Figure 1 below moves at a speed -U o along x to the left.
  • a is the growth exponent of the perturbation in 1 / s
  • U 0 is the edge velocity at the shear layer 10
  • k z is the Component of the wave vector along z, ie in the transverse direction.
  • FIG. 5 shows various views of a double-cone burner 26, based on which the technical realization of the above-described principle is to be shown.
  • figure 5a shows a perspective view of a double-cone burner 26.
  • the combustion air 14 enters laterally through the entry slots 23 of the slightly shifted Axes arranged, hollow half-cones 18 and 21, flows to the front end the burner 26 with description of a slight arc, and occurs after passing the leading edge 24 of the half-cones 18, 21 from the burner 26 into the combustion chamber 28.
  • Am tapered end of the half-cones 18, 21 is a cylindrical part 20, in which a fuel nozzle 19 is arranged, which in this case liquid Insert fuel centrally between the two half-cones 18 and 21.
  • the combustion air 14 envelops the injected fuel, and it forms a fuel cone, which expands towards the front, and which as a mixture 15 of combustion air 14 and fuel and Greunstaff after exiting into the Combustion chamber 28 burns at the burner mouth 27 in a flame 17.
  • FIG. 5c) shows a view from above onto the double-cone burner 26.
  • the spacing of the stub nozzles 16 can be easily traced.
  • the transversal perturbation must be such that the perturbation nozzles 16 generate perturbation air streams which are 5 cm apart in the x-direction, ie in the flow direction of the mixture.
  • FIG. 5d) shows a schematic front view of a double-cone burner 26. Again, the orthogonal intermingling of the mixture 15 and the interfering air 22 is recognizable.
  • the injected air flow 22 has no strong, inwardly directed components, so that the mixture 15 is not disturbed .
  • the total pressure of the injection of the disturbance air 22 must be at least as great as the total pressure of the mixture flowing past 15, so that significant transversal disturbances can form at all.

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Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Betrieb eines Brenners, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Brenner entsprechend dem Obergegriff des Anspruchs 2.
STAND DER TECHNIK
Bei modernen Brennern, insbesondere bei Brennern, wie sie in Gasturbinen eingesetzt werden, wird es zunehmend wichtiger, die Verbrennung sowohl möglichst effizient, als auch möglichst frei von Schadstoffen zu halten. Schadstoffgrenzwerte werden u.a. von den Behörden vorgeschrieben, und die Richtlinien betreffend CO und NOx Ausstoss werden immer strenger. Die entsprechende Optimierung der Verbrennung kann auf vielfältige Weise geschehen, so z.B. durch Beimischung von Additiven wie Wasser zum Brennstoff, durch Einsatz von Katalysatoren, oder auch durch die Sicherstellung eines für die Verbrennung idealen Brennstoff-Luft-Gemisches. Optimale Brennstoff-Luft-Verhältnisse können dadurch erzeugt werden, dass Brennstoff und Verbrennungsluft vorgemischt werden (sog. Vormischbrenner) oder indem Brennstoff und Verbrennungsluft zusammen auf spezielle Weise in den Verbrennungsraum eingedüst werden.
Aus der EP-B1-0 321 809 ist ein Brenner für flüssige und gasförmige Brennstoffe mit Vormischstrecke bekannt geworden, bei welchem von aussen zugeführte Verbrennungsluft durch wenigstens zwei Eintrittsschlitze tangential zwischen verschoben angeordnete, hohle Halbkonusse eintritt und dort in Richtung der Brennkammer strömt, und bei welchem auf der der Brennkammer abgewandten, verjüngten Seite der Halbkonusse der flüssige Brennstoff zentral eingedüst wird. Der Brennstoff wird so gewissermassen von der Verbrennungsluft erfasst und "eingehüllt", so dass sich zwischen den Halbkonussen ein kegeliges Flüssigbrennstoffprofil ausbildet, welches sich in Richtung der Brennkammer ausweitet und dort verbrennt. Gasförmiger Brennstoff wird aus Brennstoffzufuhrrohren, die den Lufteintrittsschlitzen entlang verlaufen, durch Bohrungsreihen quer in die eintretende Luft eingedüst.
Problematisch bei solchen Brennern, und allgemein bei Brennern, bei welchen ein Verbrennungsluftstrom auf ähnliche Weise in eine Brennkammer strömt, ist der Austritt der Verbrennungsluft in die Brennkammer. Während die Verbrennungsluft im Brenner an den Wänden der Halbkonusse entlang streicht und von diesen geführt wird, bildet sich in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft hinter der Vorderkante der Halbkonusse sofort eine Scherschicht. Diese Scherschicht liegt zwischen den sich in der Brennkammer befindenden, im wesentlichen stationären und heissen Verbrennungsgasen, und dem austretenden, strömenden Gemisch von Brennstoff und Verbrennungsluft. Es liegt nun in der Natur von solchen Scherschichten, dass sich diese irgendwann Aufrollen und Verwirbelungen resultieren. Dieses Aufrollen verläuft derart, dass sich zunächst auf den Scherschichten sogenannte Kelvin-Helmholtz-Wellen ausbilden, deren Wellenkämme quer zur Strömungsrichtung verlaufen, und welche danach zu einer Wirbelbildung führen.
Es zeigt sich, dass diese Instabilitäten auf Scherschichten in Kombination mit dem ablaufenden Verbrennungsprozess hauptverantwortlich für eine wichtige Klasse 1 von von Reaktionsratenschwankungen ausgelösten, thermoakustischen Oszillationen sind. Diese weitgehend kohärenten Wellen führen bei einem Brenner der obengenannten Art bei typischen Betriebsbedingungen zu Schwingungen mit Frequenzen von etwa 100 Hz. Da diese Frequenz mit typischen fundamentalen Eigenmoden von von vielen Ringbrennern von Gasturbinen zusammenfallen, stellen die thermoakustischen Oszillationen ein Problem dar.
EP-A2-0 851 172 offenbart einen Brenner zum Betrieb einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff. Dabei einem Brenner zum Betrieb einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff wird die dazu benötigte Verbrennungsluft durch tangentiale Lufteintrittskanäle in einen Innenraum des Brenners geführt. Durch diese Strömungsführung entsteht im Innenraum eine Drallströmung, welche am Ausgang des Brenners eine Rückströmzone induziert. Um die sich dort bildende Flammenfront zu stabilisieren, wird bei jedem den Brenner bildenden Teilkörper mindestens eine Zone vorgesehen, innerhalb welcher Eintrittsöffnungen für die Eindüsung einer Zusatzluft in die Drallströmung vorgesehen sind. Durch diese Eindüsung bildet sich an der Innenwand der Teilkörper einen Film, welcher verhindert, dass die Flamme entlang der Innenwand der Teilkörper in den Innenraum des Brenners zurückschlagen kann.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, welches die Ausbildung von kohärenten Strömungsinstabilitäten des Verbrennungsluftstroms nach Austritt in die Brennkammer verhindert.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, indem Störungsluft in den Verbrennungsluftstrom eingedüst wird, wobei die Störungsluft im wesentlichen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Brennstoff-Luft-Gemisches und im wesentlichen parallel zu den Scherschichten, bevorzugt sogar in die Scherschichten, in das Brenntoff-Luft-Gemisch eingedüst wird. Dadurch wird die Ausbildung von Kelvin-Helmholz-Wellen in Strömungsrichtung gezielt im Kern erstickt. Der Kern der Erfindung liegt also darin, dass die eingedüste Störungsluft gezielt das Aufschaukeln von thermoakustischen Oszillationen schon bei deren ursächlicher Bildung verhindert.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Brenner um einen Doppelkegelbrenner handelt, dass die Eindüsung der Störungsluft durch Störungsdüsen erfolgt, und dass die Störungsluft unmittelbar bei den Vorderkanten der Halbkonusse erfolgt, dort, wo sich die Scherschichten ausbilden. Werden weiterhin bevorzugt die Störungsdüsen gleichmässig in bestimmten Abständen auf den Umfängen der Vorderkanten der Halbkonusse verteilt, so wird die Periodizität der Wellen auf den Scherschichten gestört, was die Verhinderung der thermoakustischen Oszillationen gezielt im Keime ihrer Bildung bewirkt.
Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens und des erfindungsgemässer Brenners ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Das Wirkprinzip des geschilderten Ansatzes soll zunächst aufgrund einiger theoretischer Überlegungen rationalisiert und erläutert werden, anschliessend werden die technischen Ausführungsbeispiele geschildert.
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine idealisierte Scherschicht 10, wie sie für die nachfolgenden Berechnungen vorausgesetzt wird. Die Scherschicht 10 ist von einer Dicke h, und das Koordinatensystem ist derart gelegt, dass die Achsen x und z in der Scherschicht liegen, die Achse y senkrecht dazu, und dass die Hauptströmungsrichtung (longitudinal) entlang x verläuft. Zur Vereinfachung der Rechnungen ist der Ursprung des Koordinatensystems derart gelegt, dass sich die Dicke der Scherschichten 10 entlang y von -h/2 bis +h/2 erstreckt, und dass sich die in der Figur oben liegende Schicht mit einer Geschwindigkeit Uo entlang x nach rechts bewegt, während die in Figur 1 unten dargestellte Schicht sich mit einer Geschwindigkeit -Uo entlang x nach links bewegt. Übertragen auf die Situation beim Austritt aus einem Brenner 26 bedeutet das, dass die obere Schicht die austretende Verbrennungsluft 15 mit einer Geschwindigkeit 2 Uo entlang x nach rechts darstellt, und dass die untere Schicht die idealisiert stationäre Verbrennwugsgase in der Brennkammer repräsentiert. In der Scherschicht 10 wird ein lineares Geschwindigkeitsprofil entlang y angenommen, welches die folgende mathematische Form aufweist: u = u 0(y) = H(y -h/2)U 0 + H(y + h/2)H(-y+h/2)2yU 0/h-H(-y-h/2)U 0 v = 0, w = 0 wobei H die folgende Heaviside-Funktion ist
Figure 00070001
und u, v, und w die Geschwindigkeiten entlang x,y, und z sind.
Geht man von varikosen Störungen entlang der Scherschicht 10 aus, und verwendet nun die Gleichungen für Fluss bei konstantem Volumen (gültig für niedrige Mach-Zahlwerte), sowie Massen- und Drehmomenterhaltung, so resultiert ein Gleichungssystem mit folgender, an den Punkten y = ±h/2 stetigen Lösung:
Figure 00070002
Dabei ist a der Wachstumsexponent der Störung in 1/s, U 0 die Randgeschwindigkeit an der Scherschicht 10, k ist die Wellenzahl entlang x und z, definiert als k 2 = k 2 / x + k 2 / z, und k z ist die Komponente des Wellenvektors entlang z, d.h. in transversaler Richtung.
Die obige Lösung reduziert sich für den Fall k z → 0 auf den Fall der zweidimensionalen Kelvin-Helmholtz-Wellen. Trägt man den dimensionslosen Wachstumsexponenten (linke Seite der obigen Gleichung) für den zweidimensionalen Fall als Funktion der dimensionslosen Wellenlänge der Kelvin-Helmholtz-Wellen, definiert als λ h = 2π k x h auf, so erhält man den in Figur 2 dargestellten funktionellen Zusammenhang. Interessanterweise zeigt es sich, dass für Wellenlängen λ < 4.91h (Bereich 13) die Störung stabil ist, während sie für λ > 4.91h (Bereich 12) wächst. Maximales Wachstum erhält man für λ = 7.89h(11).
Das bemerkenswerte Resultat des allgemeinen, dreidimensionalen Falls der obigen Lösung ist nun, dass die Scherschicht 10 stabil ist für alle Werte der x-Komponente des Wellenvektors k x (in Strömungsrichtung), sofern gilt: |k z h|> 1.278! Es ist mit anderen Worten so, dass eine genügend starke transversale Welligkeit mit einer transversalen Wellenlänge λ z , welche der Bedingung λ z < 4.91h genügt, die Ausbildung von Kelvin-Helmholtz-Wellen verhindern kann. Figur 3 zeigt entsprechend die Norm des Wellenvektors für grösstes Wachstum als Funktion der dimensionslosen transversalen Komponente des Wellenvektors. Die zugehörige Beziehung zwischen dem dimensionslosen Wachstumskoeffizienten und der dimensionslosen transversalen Komponente des Wellenvektors ist in Figur 4 dargestellt. Wie oben erwähnt zeigt es sich, dass für |k z h| > 1.278 jegliches Wachstum der longitudinalen Welligkeit unterbunden ist.
Die Idee ist nun, zur Verhinderung der Kelvin-Helmholtz-Wellen eine geeignete transversale Störung in der Scherschicht 10 zu induzieren. Eigentlich müsste zur Berechnung der idealen Art dieser Störung die Dicke der Scherschicht 10 an der Stelle der Wellenbrechung berechnet werden. Einfacher ist es aber, sich gleich an den vorliegenden Verhältnissen der Praxis zu orientieren, und die tatsächlich auftretende Frequenz der Ablösung der Wirbel, hier mit f bezeichnet, in die Rechnung einzubeziehen. Da die Wirbel in der Hauptströmungsrichtung x mit der halben Hauptströmungsgeschwindigkeit propagieren, kann man folgende Beziehung aufstellen: λ = U 2f wobei U die absolute Strömungsgeschwindigkeit direkt neben der Scherschicht 10 ist. Nimmt man nun an, dass die Frequenz f der Wellenlänge mit maximalem Wachstum entspricht, so ergibt sich die Stabilitätsbedingung λ z < 0.312 U f .
Nimmt man nun eine für Doppelkegelbrenner 26 eher niedrig angesetzte Strömungsgeschwindigkeit von U =20 m/s an und eine konservativ hohe Frequenz von f =125Hz, so erhält man als Abstand zwischen den Störungen λ z = 0.31220m/s 125Hz ≈ 5cm.
In der Praxis bedeutet dies nun folgendes: Stört man, beispielsweise vermittels Eindüsen von Störungsluft 22 in transversaler Richtung, d.h. senkrecht zur Hauptströmungsrichtung und in der Scherschicht 10 unter einer Beabstandung der Störungsdüsen 16 von ca. 5 cm in x Richtung, die Ausbildung von Kelvin-Helmholtz-Wellen in Strömungsrichtung, so bilden sich auch keine thermoakustischen Oszillationen der oben angenommenen Frequenz von 125Hz aus.
Figur 5 zeigt verschiedene Ansichten eines Doppelkegelbrenners 26, anhand derer die technische Realisierung des oben geschilderten Prinzips gezeigt werden soll. Figur 5a zeigt eine perspektivische Ansicht eines Doppelkegelbrenners 26. Die Verbrennungsluft 14 tritt seitlich durch die Eintrittsschlitze 23 der mit leicht verschobenen Achsen angeordneten, hohlen Halbkonusse 18 und 21 ein, strömt zum vorderen Ende des Brenners 26 unter Beschreibung eines leichten Bogens, und tritt nach Passieren der Vorderkanten 24 der Halbkonusse 18, 21 aus dem Brenner 26 in die Brennkammer 28. Am verjüngten Ende der Halbkonusse 18, 21 befindet sich ein zylindrischer Teil 20, in welchem eine Brennstoffdüse 19 angeordnet ist, welche den in diesem Fall flüssigen Brennstoff zentral zwischen die zwei Halbkonusse 18 und 21 eindüst. Die Verbrennungsluft 14 umhüllt den eingedüsten Brennstoff, und es bildet sich ein Brennstoffkegel, welcher sich nach vorne hin aufweitet, und welcher als Gemisch 15 von Verbrennungsluft 14 und Brennstoff und Greunstaff nach Austritt in die Brennkammer 28 bei der Brennermündung 27 in einer Flamme 17 verbrennt.
In den Halbkonussen 18, 21 sind nun in regelmässigen Abständen Störungsdüsen 16 unmittelbar bei den Vorderkanten 24 angeordnet. Sie düsen, jede für sich, Störungsluft 22 senkrecht zur Strömungsrichtung des Gemisches 15 in as Gewisen 15 von Verbrennungsluft 14 und Brennstoffer. Dies geschieht so, wie in Figur 5b) angedeutet: Die Störungsdüsen 16, welche von Leitungen 25 versorgt werden, düsen die Störungsluft 22 unter flachem Winkel unter die Halbkonusse 18, 21. Dies unmittelbar bei den Vorderkanten 24, so dass die Störungsluft 22 im wesentlichen parallel zu oder sogar in die sich hinter der Kante bildende Scherschicht 10 zwischen dem Gemisch 15 und den im wesentlichen stationären Verbrennungsgasen in der Brennkammer 28 einströmt. Die Eindüsung erfolgt senkrecht zur Richtung der Stömungsrichtung des Gemisches 15 (Kreis mit Punkt in der Mitte steht für einen Pfeil, der nach oben gerichtet aus der Papierebene herausschaut) und erzeugt deshalb die von der Theorie geforderte Störung in der Scherschicht 10.
Figur 5c) zeigt eine Ansicht von oben auf den Doppelkegelbrenner 26. Hier ist die Beabstandung der Stördüsen 16 gut nachvollziehbar. Die transversale Störung muss, damit die im obigen Zahlenbeispiel genannten 5cm als Wellenlänge λ z resultiert, so erfolgen, dass die Störungsdüsen 16 Störungsluftströme erzeugen, welche in x-Richtung, d.h. in Strömungsrichtung des Gemisches 15 µm 5cm auseinanderliegen. Figur 5d) zeigt eine schematische Frontansicht eines Doppelkegelbrenners 26. Wiederum erkennbar ist das orthogonale Ineinanderströmen des Gemisches 15 und der störluft 22. Es ist wichtig, das die eingedüste Strömungsluft 22 keine starken, nach innen gerichteten Komponenten aufweist, damit das Gemisch 15 nicht gestört wird. Ausserdem muss der Totaldruck der Eindüsung der Störungsluft 22 wenigstens so gross sein, wie der Totaldruck des vorbeiströmenden Gemisches 15, damit sich überhaupt signifikante transversale Störungen ausbilden können.
BEZEICHNUNGSLISTE
10
Scherschicht
11
Maximum des dimensionslosen Wachstumskoeffizienten
12
Bereich ohne Wachstum
13
Bereich mit Wachstum
14
Verbrennungsluft
15
Gemisch von Verbrennungsluft 14 und Brennstoff
16
Störungsdüsen
17
Flamme
18
erster Halbkonus
19
Brennstoffdüse
20
zylindrischer Teil des Brenners 26
21
zweiter Halbkonus
22
Störungsluft
23
Eintrittsschlitz
24
Vorderkante des Halbkonus 18, 21
25
Leitung zu Störungsdüse 16
26
Brenner, Doppelkegelbrenner
27
Brennermündung
28
Brennkammer

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betrieb eines aus versetzt angeordneten, hohlen Halbkonussen (18,21) bestehenden Vormischbrenners (26), bei welchem
    ein Verbrennungsluftstrom (14) über wenigstens zwei durch die Halbkonusse gebildeten Eintrittsschlitze (23) tangential eingedüst wird,
    ein Brennstoff zentral eingedüst wird und/oder ein gasförmiger Brennstoff in die quer eintretende Verbrennungsluftströmung eingedüst wird,
    der Verbrennungsluftstrom (14) mit Brennstoff innerhalb des Brenners (26) vorgemischt wird, und das sich bildende Brennstoff-/Luft-Gemisch (15) in eine dem Brenner (26) nachfolgende Brennkammer (28) transportiert wird,
    in welcher das Brennstoff-/Luft-Gemisch (15) unter Bildung von Heissgasen verbrannt wird,
    wobei sich kohärente Strömungsinstabilitäten nach Austritt des Brennstoff-/Luft-Gemisches (15) in die Brennkammer (28) infolge einer Scherschicht (10) zwischen dem austreten den Gemisch (15) und den Heissgasen in der Brennkammer (28) bilden, und
    wobei eine Störungsluft (22) in das Brennstoff-/Luft-Gemisch (15) eingedüst wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    unmittelbar an den Vorderkanten (24) der Halbkonusse die Störungsluft (22) im wesentlichen senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung des Brennstoff-/Luft-Gemisches (15) und im wesentlichen parallel zur Scherschicht (10) in den Strom des Brennstoff-/Luft-Gemisches (15) eingedüst wird.
  2. Vormischbrenner zur Durchführung des Verfahrens, wobei
    der Vormischbrenner (26) aus versetzt angeordneten, hohlen Halbkonussen (18, 21) besteht, die wenigstens zwei Eintrittsschlitze (23) für eine Verbrennungsluft (14) bilden,
    die Halbkonusse (18, 21) brennkammerseitig von Vorderkanten (24) begrenzt sind,
    am verjüngten Ende der Halbkonusse (18, 21) ein zylindrischer Teil (20) mit einer Brennstoffdüse angeordnet ist,
    die Halbkonusse (18, 21) Störungsdüsen (16) zur Eindüsung von Strörungsluft aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Störungsdüsen (16) unmittelbar vor den Vorderkanten (24) der Halbkonusse (18,21) derart eingelassen sind, dass sie eine Störungsluft (22) senkrecht zur Hauptströmungsrichtung eines austretenden Brennstoff-/Luft-Gemisches (15) in die Brennkammer (28) in die stromab der Vorderkanten (24) sich bildende Scherschicht (10) und im wesentlichen parallel zu dieser Scherschicht eindüsen.
  3. Vormischbrenner nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Vielzahl von Störungsdüsen (16) angeordnet ist, und dass die Störungsdüsen (16) gleichmässig auf den Umfängen der Halbkonusse (18,21) verteilt sind.
  4. Vormischbrenner nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die gleichmässige Beabstandung der Störungsdüsen (16) derart gewählt ist, dass sie gleich oder kleiner ist als ein kritischer Wert, und
    sich dieser kritische Wert aus der Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft und der beim Brenner ohne Störungsdüsen (16) auftretenden Frequenz der kohärenten Strömungsinstabilitäten des Brennstoff-/Luft-Gemisches (15) ergibt,
    dergestalt, 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.
  5. Vormischbrenner nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    bei einer beim Vormischbrenner (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 Halbkonussen (18, 21) eine Beabstandung im Bereich von 3 bis 5 cm, insbesondere im Bereich von 4.5 bis 5cm aufweisen.
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