EP1001214B1 - Brenner - Google Patents

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EP1001214B1
EP1001214B1 EP98811115A EP98811115A EP1001214B1 EP 1001214 B1 EP1001214 B1 EP 1001214B1 EP 98811115 A EP98811115 A EP 98811115A EP 98811115 A EP98811115 A EP 98811115A EP 1001214 B1 EP1001214 B1 EP 1001214B1
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EP
European Patent Office
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burner
fuel
cones
combustion
flow
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Inventor
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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    • 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
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads
    • F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
    • 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 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2210/00—Noise abatement

Definitions

  • the present invention relates to the field of burners, in particular the burner for use in gas turbines, according to the generic term of the independent claim.
  • EP-B1-0 321 809 describes a burner for liquid and gaseous fuels become known with premixing section, in which supplied from the outside Combustion air tangentially displaced between at least two inlet slots arranged, hollow semi-cones occurs and there in the direction of the combustion chamber flows, and in which either on the side facing away from the combustion chamber, tapered side of the half cones of liquid fuel centrally, or in the region of the entry slots is injected.
  • the fuel becomes more certain masses captured by the combustion air and "enveloped", so that between the cones form a conical liquid fuel profile, which is in Expands towards the combustion chamber and burns there.
  • gaseous Fuel is obtained from fuel supply pipes that run along the air inlet slots run, injected transversely into the incoming air through rows of holes.
  • 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 combustion air required for this through tangential air inlet ducts into an interior of the burner.
  • This flow guidance creates a swirl flow in the interior, which at the exit of the Brenner induced a backflow zone.
  • at least one zone is provided for each partial body forming the burner, within which inlet openings for the injection of additional air into the swirl flow are provided.
  • a part is formed on the inner wall of the partial body Film, which prevents the flame along the inner wall of the partial body into the interior of the burner can strike back.
  • US-A-5,375,995 discloses a double cone burner in which near the burner outlet at a distance of at least 30% from the burner diameter Nozzles for a medium-sized gaseous fuel containing highly reactive components Calorific value is attached to the circumference of the partial cone body. There is also a fuel line and a distribution channel placed in the area of the nozzles for the highly reactive Fuel presence.
  • the fuel containing gaseous, highly reactive components is at high speed through the nozzles, which have a diameter of less than 1% of the nominal diameter of the burner have been injected into the zones of high air velocity and the depth of penetration and the depth of the fuel jets are coordinated so that the ignition only takes place behind the burner after mixing.
  • the combustion air is formed behind the front edge in the direction of flow the half-cones immediately a shear layer.
  • This shear layer lies between the essentially stationary ones in the combustion chamber and hot combustion gases, and the emerging, flowing mixture of fuel and combustion air. It is in the nature of such shear layers, that, regardless of the Reynolds number, this will eventually roll up and turbulence result. This rolling up can be such that initially so-called Kelvin-Helmholtz waves appear on the shear layers form, whose wave crests are transverse to the direction of flow, and which then create vortices.
  • thermoacoustic oscillations This largely coherent waves lead to a burner of the type mentioned above under typical operating conditions to vibrations with frequencies of about 100 Hz. Since this frequency with typical fundamental eigenmodes of many ring burners of gas turbines coincide, make the thermoacoustic Oscillations are a problem.
  • the invention is therefore based on the object To provide burners which is the rocking interaction of coherent flow instabilities and acoustic field reduced.
  • This task is characterized by the features of the independent claim the formation of the first periodic, coherent is solved Flow instabilities in a boundary layer between the fuel-air mixture and the formwork elements disturbed and a coupling acoustic field in the combustion chamber is at such first flow instabilities reduced.
  • the essence of the invention is that targeted prevention of coherent flow instabilities the resonant rocking of Prevents thermoacoustic oscillations when they are caused.
  • the first flow instabilities are Tolmien-Schlichting waves in the boundary layer between combustion air flow and formwork elements, which are capable of second flow instabilities, which change when the fuel-air mixture enters the Form combustion chamber on the shear layers that occur and which, for example Kelvin-Helmholtz waves can be clocked.
  • FIG. 1 shows schematically the flow conditions in a double-cone burner 19.
  • the combustion air 10 passes laterally through the inlet slots 17 with light arranged displaced axes, hollow half-cones 13 and 16, flows to the front end of the burner 19, describing a slight curve, and enters the burner 19 after passing the front edges 18 of the half cones the combustion chamber 21 is located at the tapered end of the half-cones 13 and 16 a cylindrical part 15, in which a fuel nozzle 14 is arranged, which is the liquid fuel in this case centrally between the two half cones 13 and 16 injected.
  • a gaseous fuel is preferred along the Entry slots 17 injected through a plurality of holes.
  • the combustion air flow 10 envelops the injected fuel and a fuel cone is formed, which widens towards the front, and which after leaving the Combustion chamber 21 at the burner mouth 20 in one, schematically in the figure illustrated flame 12 burns. Rolling up is also indicated in FIG. 1 of the fuel-combustion air mixture behind the front edge 18 when entering the combustion chamber 21. Because for the thermoacoustic feedback Properties of the boundary layer between flowing mixture 11 and half cones 13 and 16 is crucial, the behavior of this boundary layer should first be more precise to be examined.
  • the displacement thickness is given by:
  • the combustion in the eddies 24 of the Kelvin-Helmholtz waves 22 also pulsates at the same frequency and drives the acoustic field in the combustion chamber 21. Since the acoustic field is able to transmit the Tolmien-Schlichting waves (TS) in the to clock the first boundary layer, the following feedback circuit forms: ⁇ TS ⁇ KH ⁇ pulsating combustion ⁇ acoustic field ⁇ TS ⁇ KH ⁇ ....
  • vertically extending TS waves can be attached of shark tooth-like, essentially the central axis of the torch Prevent 19 facing projections on the front edges 18.
  • the coherent Cross waviness in the boundary layer is thus overlaid by a longitudinal disturbance and destroyed by this. Problems with such "shark teeth” can be that they can burn down due to the heat and radiation.
  • a ring of through bores 25 in the formwork elements acts in an analogous manner 13 and / or 16, as shown in Figure 2.
  • the Bores 25 are in the region of the leading edge 18 and in their sequence arranged substantially parallel to the front edge. Is the pressure drop comparable to the pressure drop across the entire burner 19 via the bores 25, such bores are able to cross the boundary layer in the area of the leading edge 18 and thus disturb the TS waves in this region to destroy.
  • the diameter of the bores 25 should at least match that The thickness of the boundary layer may be comparable. For an applicant's EV17 burner is therefore a diameter of a few millimeters, in particular 3 mm prefer.
  • the distance between the holes 25 should be roughly in the range the wavelength of the highest occurring thermoacoustic frequency lie. To prevent the suction effects of neighboring holes 25 do not cancel each other out, you should also make sure that the distance between the bores 25 is not significantly smaller than the distance of holes 25 from the leading edge.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Brenner, insbesondere der Brenner zur Verwendung in Gasturbinen, entsprechend dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
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 von für die Verbrennung idealen Brennstoff-Luft-Gemischen. 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 vermischt 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 angeordneten, hohlen Halbkonussen eintritt und dort in Richtung der Brennkammer strömt, und bei welchem entweder auf der der Brennkammer abgewandten, verjüngten Seite der Halbkonusse der flüssige Brennstoff zentral, oder in der Region der Eintrittsschlitze eingedüst wird. Der Brennstoff wird so gewisser massen 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. Insbesondere gasförmiger Brennstoff wird aus Brennstoffzufuhrrohren, die den Lufteintrittsschlitzen entlang verlaufen, durch Bohrungsreihen quer in die eintretende Luft eingedüst.
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.
US-A-5,375,995 offenbart einen Doppelkegelbrenner, bei welchem in der Nähe des Brenneraustritts in einer Entfernung von 30% des Brennerdurchmessers mindestens eine Reihe von Düsen für einen gasförmigen, hochreaktive Komponenten enthaltende Brennstoff mit mittlerem Heizwert am Umfang der Teilkegelkörper angebracht ist. Ausserdem ist eine Brennstoffleitung und eine im Bereich der Düsen plazierter Verteilkanal für den hochreaktiven Brennstoffvorhanden. Der gasförmige, hochreaktive Komponenten enthaltende Brennstoff wird mit grosser Geschwindigkeit durch die Düsen, welche einen Durchmesser von kleiner als 1% des Brennernenndurchmessers haben, in die Zonen hoher Luftgeschwindigkeit gedüst und die Eindringtiefe und die Tiefe der Brennstoffstrahlen werden so aufeinander abgestimmt, dass die Zündung nach erfolgter Mischung erst hinter dem Brenner erfolgt.
Problematisch bei solchen Brennern, und allgemein bei Brennern, bei welchen ein Verbrennungsluftstrom auf ähnliche Weise in eine Brennkammer strömt, ist die Strömung des Brennstoff-Luft-Gemisches entlang der Verschalungselemente des Brenners, sowie der Austritt der Verbrennungsluft in die Brennkammer. So ist sowohl das Entlangstreichen der Verbrennungsluft im Brenner an den Wänden der Halbkonusse meist infolge der Strömungs- und Druckverhältnisse sowie der Geometrie der Verschalung nicht mehr laminar, sondern turbulent. Die Strömung in dieser Grenzschicht wird für einen bestimmten Wertebereich der Reynoldszahl kohärent wellig, wobei die Wellenkämme senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufen. Diese Welligkeit in Grenzschichten wird als Tolmien-Schlichting-Wellen (TS-Wellen) bezeichnet, und ist meist die erste turbulente Strömungsform nach der laminaren Strömung, welche bei niedrigeren Reynoldszahlen auftritt. Ausserdem bildet sich in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft hinter der Vor-derkante 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 in der Natur von solchen Scherschichten, dass sich diese, unabhängig von der Reynoldszahl, irgendwann Aufrollen und Verwirbelungen resultieren. Dieses Aufrollen kann derart verlaufen, dass sich zunächst auf den Scherschichten sogenannte Kelvin-Helmholtz-Wellen ausbilden, deren Wellenkämme quer zur Strömungsrichtung verlaufen, und welche danach Wirbel erzeugen.
Es zeigt sich, dass diese Instabilitäten in Grenzschichten und deren Ankopplung an die Instabilitäten auf Scherschichten in Kombination mit dem ablaufenden Verbrennungsprozess hauptverantwortlich sind für eine wichtige Klasse von von Reaktionsratenschwankungen ausgelösten, thermoakustischen Oszillationen. 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 vielen Ringbrennern von Gasturbinen zusammenfallen, stellen die thermoakustischen Oszillationen ein Problem dar.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen Brenner zur Verfügung zu stellen, welches die aufschaukelnde Wechselwirkung von kohärenten Strömungsinstabilitäten und akkustischem Feld vermindert.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst so wird die Ausbildung von ersten periodischen, kohärenten Strömungsinstabilitäten in einer Grenzschicht zwischen dem Brennstof-Luft-Gemisch und den Verschalungselementen gestört und eine Ankopplung eines akustischen Feldes in der Brennkammer wird an solche ersten Strömungsinstabilitäten vermindert. Der Kern der Erfindung liegt also darin, dass die gezielte Verhinderung von kohärenten Strömungsinstabilitäten das resonante Aufschaukeln von thermoakustischen Oszillationen schon bei deren ursächlicher Bildung verhindert.
Bei den ersten Strömungsinstabilitäten handelt es sich um Tolmien-Schlichting-Wellen in der Grenzschicht zwischen Verbrennungsluftstrom und Verschalungselementen, wobei diese in der Lage sind, zweite Strömungsinstabilitäten, welche sich bei Eintritt des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer an den dabei auftretenden Scherschichten bilden und welche beispielsweise Kelvin-Helmholtz-Wellen sein können, zu takten.
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 eines Brenners und das Aufrollen von Kelvin-Helmholtz-Wellen hinter der Austrittsöffnung; und
Fig. 2
zeigt eine schematische Darstellung eines Brenners mit Bohrungen, welche die Ausbildung von ersten, kohärenten Strömungsinstabilitäten verhindern.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Das Wirkprinzip des geschilderten Ansatzes soll zunächst aufgrund einiger theoretischer Überlegungen rationalisiert und erläutert werden, anschliessend werden die technischen Ausführungsbeispiele geschildert.
Figur 1 zeigt schematisch die Strömungsverhältnisse in einem Doppelkegelbrenner 19. Die Verbrennungsluft 10 tritt seitlich durch die Eintrittsschlitze 17 der mit leicht verschobenen Achsen angeordneten, hohlen Halbkonusse 13 und 16 ein, strömt zum vorderen Ende des Brenners 19 unter Beschreibung eines leichten Bogens, und tritt nach Passieren der Vorderkanten 18 der Halbkonusse aus dem Brenner 19 in die Brennkammer 21. Am verjüngten Ende der Halbkonusse 13 und 16 befindet sich ein zylindrischer Teil 15, in welchem eine Brennstoffdüse 14 angeordnet ist, welche den in diesem Fall flüssigen Brennstoff zentral zwischen die zwei Halbkonusse 13 und 16 eindüst. Ein gasförmiger Brennstoff wird bevorzugt entlang der Eintrittsschlitze 17 über eine Vielzahl von Löchern eingedüst. Der Verbrennungsluftstrom 10 umhüllt den eingedüsten Brennstoff, und es bildet sich ein Brennstoffkegel, welcher sich nach vorne hin aufweitet, und welcher nach Austritt in die Brennkammer 21 bei der Brennermündung 20 in einer, in der Figur schematisch dargestellten Flamme 12 verbrennt. Ebenfalls angedeutet in Figur 1 ist das Aufrollen des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches hinter der Vorderkante 18 beim Eintritt in die Brennkammer 21. Da für die thermoakustische Rückkopplung die Eigenschaften der Grenzschicht zwischen strömendem Gemisch 11 und Halbkonussen 13 und 16 entscheidend ist, soll das Verhalten dieser Grenzschicht zunächst genauer untersucht werden.
Für laminare Strömung ist die Verdrängungsdicke δ1, definiert als
Figure 00070001
der Grenzschicht zwischen Halbkonussen 13 oder 16 und strömendem Brennstoff-Luft-Gemisch gegeben durch: δ1 = 1.7208 vx/U wobei x eine charakteristische Länge, v die kinematische Viskosität, und U die Strömungsgeschwindigkeit ausserhalb der Grenzschicht darstellt. Für turbulentes Strömungsverhalten der Grenzschicht ist die Verdrängungsdicke gegeben durch:
Figure 00070002
Obwohl die Strömung in einer solchen Grenzschicht bei planen Grenzschichten für einen grossen Bereich von Reynoldszahlen Re x = Ux/v laminar ist, ist unter den Bedingungen, wie sie bei Doppelkegelbrennern 19 anzutreffen sind, d.h. konkave Wände und Störung durch den Brennstoffzumischungsprozess, ein turbulentes Strömungsverhalten zu erwarten. Die Verdrängungsdicke der Grenzschicht im Bereich der Vorderkante 18 der Verschalungselemente ist deshalb am besten durch die dritte Formel beschrieben.
Für die Ankopplung des akustischen Feldes an die Turbulenzen in dieser Grenzschicht ist es notwendig, dass die Turbulenzen einen kohärent welligen Charakter aufweisen, dass sich mit anderen Worten sog. Tolmien-Schlichting-Wellen ausbilden. Die Fähigkeit einer turbulenten Grenzschicht, Tolmien-Schlichting-Wellen aufzubauen, hängt einerseits vom Formfaktor H 12 der Grenzschicht, als auch von der als Funktion der Verdrängungsdicke formulierten Reynoldszahl Reδ1 = Uδ1 / v ab. Da der Formfaktor H 12, definiert als Quotient aus Verdrängungsdicke δ1 und Impulsmangeldicke δ2, mit
Figure 00080001
bei den hier betrachteten Anwendungen normalerweise oberhalb von 1.8 liegt, kann ein wesentliches Wachstum von Tolmien-Schlichting-Wellen erwartet werden, wenn Reδ1 = Uδ1/v>104.
Nimmt man eine charakteristische Länge von x = 250mm für einen Doppelkegelbrenner des Typs EV17, und eine charakteristische Länge von x = (185/175)·250mm für einen Brenner des Typs EV18 der Anmelderin an, so lassen sich die folgenden Bedingungen in der Kantenregion 18 berechnen. Die effektive Strömungsgeschwindigkeit U verhält sich dabei zur nominalen Strömungsgeschwindigkeit UN gemäss U = UN ξ , wobei ξ der Druckabfallkoeffizient des Brenners ist.
Typ UN [m/s] U[m/s] T[K] p[bar] Reδ1
GT13E2 25.0 70.7 688 15.0 8.84*103
GT8C 30.8 87.2 733 15.9 1.01*104
GT11N2 38.0 107.5 693 13.7 1.14*104
GT26 29.6 83.8 815 30.0 1.48*104
Die Berechnungen zeigen, dass die Werte der Reynoldszahl für die bei Doppelkegelbrennern vorliegenden Bedingungen gerade im für die Bildung von Tolmien-Schlichting-Wellen guten Bereich liegen, und stark von der nominalen Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur abhängen.
Die kohärente Welligkeit in der Grenzschicht in der Region der Vorderkante 18, d.h. kurz bevor das Gemisch 11 sich ablöst und in die Brennkammer 21 austritt, ist nun in der Lage, die Turbulenzen in der hinter der Vorderkante 18 zwischen stationärer Luft in der Brennkammer 21 und austretendem Gemisch 11 auftretenden Scherschicht zu beeinflussen. Da diese Scherschicht unabhängig von der Reynoldszahl bezüglich Wellenlängen grösser als ca. 5 Mal der Dicke der Scherschicht instabil ist, bilden sich dort sogenannte Kelvin-Helmholtz-Wellen (KH) 22 mit Wellen kämmen 23 aus. Diese sind kohärent, und sie können insbesondere in Frequenz und Phase von den Tolmien-Schlichting-Wellen der davor liegenden Grenzschicht getaktet werden. Die Verbrennung in den Verwirbelungen 24 der Kelvin-Helmholtz-Wellen 22 pulsiert ebenfalls mit der gleichen Frequenz und treibt dabei das akustische Feld in der Brennkammer 21. Da das akustische Feld in der Lage ist, die Tolmien-Schlichting-Wellen (TS) in der ersten Grenzschicht zu takten, bildet sich folgender Rückkopplungskreis aus:
→ TS → KH → Pulsierende Verbrennung → akustisches Feld → TS → KH →....
Weil derartige Aufschaukelungsprozesse die Effizienz der Betriebs reduzieren und ausserdem die Frequenz zusätzlich mit Eigenfrequenzen von Brennkammern zusammenfallen kann, ist deren Verhinderung von enormer Wichtigkeit.
Im Prinzip ist es möglich, den Rückkopplungsprozess durch Verhinderung eines beliebigen der oben aufgelisteten Phänomene zu unterbinden. Es hat sich aber gezeigt, dass sich gerade die Zerstörung der Kohärenz der Tolmien-Schlichting-Wellen sich sowohl in theoretischer als auch in praktischer Hinsicht am besten eignet. Die Tolmien-Schlichting-Wellen übernehmen hier gewissermassen die Funktion der vibrierenden Lippen beim Pfeifen mit dem Mund. Unterbindet man diese, so trifft man den resonanten Kreis an einer entscheidenden und leicht zu beeinflussenden Stelle.
Die Ausbildung von zur Strömungsrichtung des Brennstoff-Luft-Gemisches 11 senkrecht verlaufenden TS-Wellen lässt sich erfindungsgemäss durch Anbringung von haifischzahn-ähnlichen, im wesentlichen der zentralen Achse des Brenners 19 zugewandten Vorsprüngen an den Vorderkanten 18 verhindern. Die kohärente Querwelligkeit in der Grenzschicht wird so von einer Längsstörung überlagert und von dieser zerstört. Problematisch an solchen "Haifischzähnen" kann aber sein, dass sie infolge der Hitze und der Strahlung abgebrannt werden können.
In analoger Weise wirkt ein Ring von durchgängigen Bohrungen 25 in den Verschalungselementen 13 und/oder 16, so, wie sie in Figur 2 dargestellt sind. Die Bohrungen 25 werden dabei in der Region der Vorderkante 18 und in ihrer Aneinanderreihung im wesentlichen parallel zur Vorderkante angeordnet. Ist der Druckabfall über die Bohrungen 25 dem Druckabfall über den ganzen Brenner 19 vergleichbar, so sind derartige Bohrungen in der Lage, die Grenzschicht im Bereich der Vorderkante 18 stark zu stören und damit die TS-Wellen in dieser Region zu zerstören. Der Durchmesser der Bohrungen 25 sollte dabei wenigstens mit der Dicke der Grenzschicht vergleichbar sein. Für einen EV17 Brenner der Anmelderin ist somit ein Durchmesser von einigen Millimetern, insbesondere von 3 mm zu bevorzugen. Zudem sollte der Abstand zwischen den Bohrungen 25 grob im Bereich der Wellenlänge der höchsten auftretenden thermoakustischen Frequenz liegen. Um zu verhindern, dass sich die Sogwirkungen benachbarter Bohrungen 25 nicht gegenseitig aufheben, sollte ausserdem darauf geachtet werden, dass der Abstand zwischen den Bohrungen 25 nicht wesentlich kleiner ist als der Abstand der Bohrungen 25 von der Vorderkante.
Bezugszeichenliste
10
Verbrennungsluftstrom bei Eintritt
11
Gemisch von Verbrennungsluft und Brennstoff
12
Flamme
13
erster Halbkonus
14
Brennstoffdüse
15
zylindrischer Teil des Brenners 19
16
zweiter Halbkonus
17
Eintrittsschlitz
18
Vorderkante des Halbkonus 13, 16
19
Brenner, Dopperkegelbrenner
20
Brennermündung
21
Brennkammer
22
Kelvin-Helmholtz Wellen
23
Wellenkämme der Kelvin-Helmholtz Wellen 22
24
Vervorbelungen der Kelvin-Helmholtz Wellen 22
25
Bohrungen

Claims (1)

  1. Brenner (19),
    der zwei Halbkonussen (13, 16) aufweist, deren Achsen gegeneinander verschoben sind und so Eintrittschlitze (17) für einen tangentialen Eintritt eines Verbrennungsluftstroms (10) bilden,
    wobei entlang der Eintrittschlitze (17) eine Vielzahl von Löchern zur Eindüsung eines gasförmigen Brennstoffs angeordnet ist,
    wobei sich am verjüngten Ende der Halbkonusse (13, 16) ein zylindrischer Teil (15) befindet, in welchem eine zentrale Brennstoffdüse (14) angeordnet ist, und
    wobei das im Brenner (19) gebildete Brennstoff-Luft-Gemisch (11) eine dem Brenner (19) nachfolgende Brennkammer (21) einleitbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an den Vorderkanten (18) der Halbkonusse (13, 16) der zentralen Achse des Brenners (19) zugewandet eine Mehrzahl von zahnförmigen Vorsprüngen angebracht sind, um kohärente Strömungsinstabilitäten in der Grenzschicht zwischen dem Brennstoff-Luft-Gemisch (11) und den Halbkonussen (13, 16) zu stören und eine Ankopplung eines akustischen Feldes in der dem Brenner (19) nachfolgenden Brennkammer (21) an die kohärenten Strömungsinstabilitäten zu vermindern.
EP98811115A 1998-11-09 1998-11-09 Brenner Expired - Lifetime EP1001214B1 (de)

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DE59811961T DE59811961D1 (de) 1998-11-09 1998-11-09 Brenner
EP98811115A EP1001214B1 (de) 1998-11-09 1998-11-09 Brenner
US09/431,176 US20010019815A1 (en) 1998-11-09 1999-11-01 Method for preventing flow instabilities in a burner

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EP98811115A EP1001214B1 (de) 1998-11-09 1998-11-09 Brenner

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EP1001214A1 EP1001214A1 (de) 2000-05-17
EP1001214B1 true EP1001214B1 (de) 2004-09-15

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ID=8236431

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP98811115A Expired - Lifetime EP1001214B1 (de) 1998-11-09 1998-11-09 Brenner

Country Status (3)

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US (1) US20010019815A1 (de)
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10000415A1 (de) * 2000-01-07 2001-09-06 Alstom Power Schweiz Ag Baden Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strömungskraftmaschine
FI108810B (fi) * 2000-07-06 2002-03-28 Nirania Ky Laitteisto ja menetelmä polttotapahtuman ja lämmönsiirron tehostamiseksi
DE10055408A1 (de) 2000-11-09 2002-05-23 Alstom Switzerland Ltd Verfahren zur Brenstoffeinspritzung in einen Brenner
DE10064893A1 (de) * 2000-12-23 2002-11-14 Alstom Switzerland Ltd Brenner mit gestufter Brennstoffeindüsung
DE10164099A1 (de) * 2001-12-24 2003-07-03 Alstom Switzerland Ltd Brenner mit gestufter Brennstoffeinspritzung
DE102008012794B3 (de) * 2008-03-05 2009-08-20 Auerhahn Bestecke Gmbh Feuerungseinrichtung
US20100119984A1 (en) * 2008-11-10 2010-05-13 Fox Allen G Abatement system
US10197291B2 (en) 2015-06-04 2019-02-05 Tropitone Furniture Co., Inc. Fire burner
USD791930S1 (en) 2015-06-04 2017-07-11 Tropitone Furniture Co., Inc. Fire burner

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5375995A (en) * 1993-02-12 1994-12-27 Abb Research Ltd. Burner for operating an internal combustion engine, a combustion chamber of a gas turbine group or firing installation
EP0851172A2 (de) * 1996-12-23 1998-07-01 Abb Research Ltd. Brenner zum Betrieb einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1134996A (en) * 1967-04-21 1968-11-27 Lev Iosifovich Sorkin Jet noise suppressor in jet engine
US4244441A (en) * 1979-07-31 1981-01-13 The Garrett Corporation Broad band acoustic attenuator
CH674561A5 (de) * 1987-12-21 1990-06-15 Bbc Brown Boveri & Cie
US5676538A (en) * 1993-06-28 1997-10-14 General Electric Company Fuel nozzle for low-NOx combustor burners
US5408830A (en) * 1994-02-10 1995-04-25 General Electric Company Multi-stage fuel nozzle for reducing combustion instabilities in low NOX gas turbines
ATE170968T1 (de) * 1995-07-20 1998-09-15 Dvgw Ev Verfahren und vorrichtung zur unterdrückung von flammen-/druckschwingungen bei einer feuerung

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5375995A (en) * 1993-02-12 1994-12-27 Abb Research Ltd. Burner for operating an internal combustion engine, a combustion chamber of a gas turbine group or firing installation
EP0851172A2 (de) * 1996-12-23 1998-07-01 Abb Research Ltd. Brenner zum Betrieb einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff

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