EP1199516B1 - Burner - Google Patents

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie beschreibt weiterhin einen Brenner, welcher zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.The invention describes a method for operating a burner according to the preamble of claim 1. It further describes a burner which is suitable for carrying out the method.

Stand der TechnikState of the art

Aus der EP 0 321 809, aus der EP 0 780 629, aus der WO 9317279, sowie aus der EP 0 945 677 sind Vormischbrenner bekanntgeworden, bei denen ein Verbrennungsluftstrom über einen Drallerzeuger tangential in einen Brennerinnenraum eingebracht und mit Brennstoff vermischt wird am Brenneraustritt platzt die entstehende Wirbelströmung an einem Querschnittssprung auf, wodurch eine Rückströmzone induziert wird, welche im Betrieb des Brenners zur Stabilisierung einer Flamme dient.EP 0 321 809, EP 0 780 629, WO 9317279 and EP 0 945 677 have disclosed premix burners in which a combustion air flow is introduced tangentially into a burner interior via a swirl generator and mixed with fuel at the burner outlet the resulting vortex flow at a cross-sectional jump, whereby a Rückströmzone is induced, which serves to stabilize a flame during operation of the burner.

Die axiale Lage der sich einstellenden Rückströmzone ist von entscheidender Bedeutung für die Stabilisierung der Flamme, und wird ihrerseits wesentlich durch die axiale Strömung im Zentrum des Brenner bestimmt. Ist diese axiale Strömung zu schwach, so wandert das Rezirkulationsgebiet und mithin die Flamme ins Brennerinnere. Dabei besteht die Gefahr des Rückzündens der Flamme und sukzessive der Überhitzung des Brenners. Ist umgekehrt die axiale Strömung zu stark, kann die Rückströmzone vom Brenneraustritt ablösen und instabil werden. Die Folge können starke schädliche Verbrennungspulsationen oder gar ein Verlöschen der Flamme sein.The axial position of the self-adjusting Rückströmzone is crucial for the stabilization of the flame, and in turn is essentially determined by the axial flow in the center of the burner. If this axial flow is too weak, the recirculation area and therefore the flame migrate into the burner interior. There is a risk of backflushing the Flame and successive overheating of the burner. If, conversely, the axial flow is too strong, the backflow zone can become detached from the burner outlet and become unstable. The result can be severe harmful combustion pulsations or even extinguishment of the flame.

In der DE 195 27 453 ist ein Brenner für einen Wärmeerzeuger bekannt geworden, welcher eine Variation einer axialen Luftströmung ermöglicht, mittels welcher die Lage der Rückströmenzone der Einfluss war ist. Aus diesem Dokument ist es auch bekannt, die axialen Luftströmung in Abhängigkeit von gemessenen Verbrennungspulsationen einzustellen. Dieses Betriebsverfahren erfordert aber eine potenziell störungsanfällige Messung der Verbrennungspulsationen. Weiterhin kann dieses Betriebsverfahren dazu führen, dass die Flamme zu nahe an den Brenner gelegt wird, so, dass es zu einer Überhitzung des Brenners kommt.In DE 195 27 453 a burner for a heat generator has become known, which allows a variation of an axial air flow, by means of which the position of the return flow zone was the influence. From this document it is also known to adjust the axial air flow as a function of measured combustion pulsations. However, this operating method requires a potentially fault-prone measurement of the combustion pulsations. Furthermore, this method of operation may cause the flame to be placed too close to the burner so as to overheat the burner.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Weiterhin soll ein Brenner angegeben werden, welcher zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.The invention aims to remedy this situation. The invention, as characterized in the claims, the object underlying the invention to provide a method of the type mentioned, which avoids the disadvantages of the prior art. Furthermore, a burner is to be specified, which is suitable for carrying out the method.

Die Aufgabe wird mit dem in Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren gelöst.The object is achieved by the method characterized in claim 1.

Kern der Erfindung ist also, den Axialimpuls der Zentralströmung an die thermische Brennerbelastung anzupassen. Dies ermöglicht es, Lage und Intensität der Rückströmzone gezielt zu beeinflussen. In besonders vorteilhafter Weise wird bei geringer Brennerlast die zentral eingebrachte Luftmenge verringert dergestalt, dass die Rückströmzone sich sehr nahe an der Brennermündung oder teilweise sogar noch im Brennerinnenraum ausbildet, woraus eine überlegene Flammenstabilität resultiert. Bei hoher Last und hohen Flammentemperaturen hingegen ist der Flame an sich bereits eine höhere Stabilität inhärent. Hier wird die zentral eingebrachte Luftmenge vergrössert, dergestalt, dass die Rückströmzone zuverlässig eine Strecke stromab der Brennermündung zu liegen kommt. Eine thermische Überlastung des Brenners wird dadurch vermieden.The core of the invention is therefore to adapt the axial momentum of the central flow to the thermal burner load. This makes it possible to specifically influence the position and intensity of the backflow zone. In a particularly advantageous manner, the centrally introduced amount of air is reduced at low burner load in such a way that the return flow zone forms very close to the burner or even partially even in the burner interior, resulting in a superior flame stability results. At high load and high flame temperatures, however, the flame itself is inherently more stable. Here, the centrally introduced amount of air is increased, such that the backflow zone reliably a Route downstream of the Brenner estuary comes to rest. Thermal overload of the burner is thereby avoided.

Die Erfindung wird bevorzugt unter Verwendung von Vormischbrennern, welche aus dem eingangs zitierten Stand der Technik dem Fachmann als solche wohlbekannt und geläufig sind, ausgeführt. Die Erfindung kann ohne weiteres mit allen in den dort zitierten Schriften offenbarten, und den aus diesen Schriften weitergebildeten, an sich dem Fachmann geläufigen, Drallerzeuger- und Brennerbauarten, kombiniert werden, welche durch die in den Vorrichtungs-Unteransprüchen angegebenen Vorzugsvarianten nur unvollständig reflektiert werden.The invention is preferably carried out using premix burners which are well-known and familiar to those skilled in the art as such from the cited prior art. The invention can be readily combined with all of the publications cited therein, and further developed from these writings, known in the art, swirl generator and burner designs, which are reflected by the specified in the device sub-claims preferred variants only incompletely.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemässen Betriebsverfahrens ergibt sich beim vorteilhaften Betrieb in den Brennkammern von Gasturbinen. Hier dient die variable Zentralgeometrie in Verbindung mit den dem Fachmann geläufigen Betriebskonzepten für Gasturbinen mit Vormischbrennern weiterhin dazu, einen schadstoffarmen und gleichzeitig stabilen, pulsationsfreien Betrieb zu gewährleisten. Eine Variation der Bedingungen an einzelnen Brennern kann schliesslich gezielt eingesetzt werden, um akustische Resonanzen in der Brennkammer durch ein Verstimmen einzelner Brenner zu unterbinden.A further development of the operating method according to the invention results from the advantageous operation in the combustion chambers of gas turbines. Here, the variable central geometry in conjunction with the familiar to the expert operating concepts for gas turbines with premix burners continues to ensure a low-emission and at the same time stable, pulsation-free operation. A variation of the conditions on individual burners can finally be used selectively in order to prevent acoustic resonances in the combustion chamber by detuning individual burners.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay to carry out the invention

In Fig. 1 ist ein zur Umsetzung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneter Vormischbrenner dargestellt, wie er an sich aus der EP 0 321 809 bekanntgeworden ist. Der Brenner besteht im wesentlichen aus einem Drallerzeuger 100 für einen Verbrennungsluftstrom, welcher aus zwei kegelförmigen Teilkörpern 101, 102 gebildet ist. In dem in der Fig. 2 dargestellten Querschnitt ist erkennbar, dass die Teilkörper 101 und 102 mit ihren Achsen 101a und 102a gegenüber der Brennerachse 100a wie auch gegenseitig lateral versetzt angeordnet sind. Aufgrund dieses lateralen Versatzes der Teilkörper sind zwischen den Teilkörpern tangentiale Einlassschlitze 121 ausgebildet. Durch die tangentialen Einlassschlitze 121 strömt ein Verbrennungsluftstrom 141 im wesentlichen tangential in den Innenraum 122 des Drallerzeugers ein. Es ist selbstverständlich auch möglich, einen derartigen Drallerzeuger mit einer anderen Anzahl von Teilkörpern auszuführen; in Fig. 3 ist der vollkommen analoge Aufbau mit beispielsweise vier Drallerzeuger-Teilkörpern 101, 102, 103 und 104 dargestellt, mit den gegeneinander versetzten Achsen 101 a, 102a, 103a, 104a der Teilkörper. Wieder mit Bezug auf Figur 1 bildet sich im Inneren des Drallerzeugers in Folge eine Drallströmung 144 aus, deren axiale Strömungskomponente zu einer stromabwärtigen Mündung des Drallerzeugers hin weist. Die Teilkörper 101, 102 grenzen an einem stromabwärtigen Ende des Drallerzeugers an eine Frontplatte 108. Die Frontplatte 108 bildet üblicherweise die Stirnwand eines Brennraumes 50 aus, und ist häufig auf in der Figur nicht dargestellte und auch nicht erfindungswesentliche Weise gekühlt. Der Innenraum 122 des Drallerzeugers weist im wesentlichen die Form eines sich von einem stromaufwärtigen zu einem stromabwärtigen Ende des Drallerzeugers respektive Brenners erweiternden Kegelstumpfes auf. Der so gebildete axiale Strömungsquerschnitt weist an einem stromabwärtigen Ende, an der Mündung in den Brennraum 50, eine sprunghafte Querschnittserweiterung auf. Durch den Querschnittssprung kommt es zum Aufplatzen der Wirbelströmung 144, und zur Ausbildung einer Rückströmzone 123 im Bereich der Brennermündung. Im Drallerzeuger wird der Verbrennungsluftströmung auf geeignete Weise eine Brennstoffmenge zugeführt. Im Ausführungsbeispiel sind in axialer Richtung des Drallerzeugers, im Bereich der tangentialen Einlassschlitze 121, Brennstoffleitungen 111 entlang der Teilkörper angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind Reihen von Brennstoff-Austrittsbohrungen 1111 zu erkennen. Eine Brennstoffmenge 142 wird über die Brennstoffleitungen 111 herangeführt, und strömt über die Brennstoffaustrittsöffnungen 1111 in den Innenraum 122 des Drallerzeugers 100. Diese Art der Brennstoffzumischung findet häufig und bevorzugt mit gasförmigen Brennstoffen Verwendung. Im Innenraum des Drallerzeugers kommt es zu einer intensiven Vermischung der Brennstoffmenge 142 mit der tangential einströmenden Verbrennungsluft 141. Am Austritt aus dem Brenner in den Brennraum 50 liegt in der Drallströmung 144 ein sehr homogenes Gemisch von Luft und Brennstoff vor. Im Bereich der Rückströmzone 123 kann sich eine Flamme aus dem vorgemischten Luft-Brennstoffgemisch stabilisieren. Aufgrund der guten Vormischung von Luft und Brennstoff kann diese Flamme unter Vermeidung stöchiometrischer Zonen mit der Ausbildung von "Hot Spots" mit einem recht hohen Luftüberschuss - in der Regel findet man am Brenner selbst Luftzahlen von zwei und darüber- betrieben werden. Aufgrund dieser vergleichsweise kühlen Verbrennungstemperaturen können mit derartigen Brennern sehr geringe Stickoxidemissionen ohne aufwendige Abgasnachbehandlung erreicht werden. Aufgrund der guten Vormischung des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft und einer guten Flammenstabilisierung durch die Rückströmzone kommt es weiterhin trotz der geringen Verbrennungstemperaturen zu einem guten Ausbrand und damit auch geringen Emissionen an teil- und unverbranntem, insbesondere also Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, aber auch anderen unerwünschten organischen Verbindungen. Weiterhin erweist sich die rein aerodynamische Flammenstabilisierung durch das Aufplatzen der Wirbelströmung 144 ("Vortex Breakdown") als vorteilhaft. Durch den Verzicht auf mechanische Flammenhalter kommen an sich keine mechanischen Bauteile in Berührung mit der Flamme. Das gefürchtete Versagen mechanischer Flammenhalter aufgrund von Überhitzung mit eventuell nachfolgenden schwerwiegenden Havarien von Maschinensätzen ist somit ausgeschlossen. Weiterhin verliert die Flamme ausser durch Strahlung keine Wärme an kalte Wände. Dies trägt zusätzlich zur Vergleichmässigung der Flammentemperatur und somit geringen Schadstoffemissionen und guter Verbrennungsstabilität bei. Ein entscheidender Faktor für das Betriebsverhalten eines solchen Brenners, wie er in der Figur angegeben ist, ist die Lage der Rückströmzone 123. Diese wiederum wird wesentlich durch die Drallzahl, grob gesagt, das Verhältnis der Umfangskomponente zur Axialkomponente der Wirbelströmung 144, bestimmt: Ist die Rotationsgeschwindigkeit der Wirbelströmung 144 gross, so bildet sich eine breite Rückströmzone aus. Unter diesen Bedingungen bildet sich eine robuste, nahe an der Brenneröffung liegende Rückströmzone und damit im Betrieb eine stabile Verbrennungszone aus. Dies sind Bedingungen, wie sie im Interesse einer guten Flammenstabilität bei niedrigen Brennerlasten, also hohen Brennerluftzahlen gewünscht und zur Stabilisierung der mit vergleichsweise niedrigen Temperaturen brennenden Flamme auch notwendig sind. Andererseits bildet sich bei den hohen Drallzahlen der Verbrennungsluftströmung entlang der Brennerachse ein Gebiet niedrigen Druckes aus, welches die Rückströmzone und damit die Flamme gleichsam in das Brennerinnere hineinsaugt. Dies ist aber bei hohen Brennerlasten unerwünscht. Bei Vollast dieses Brenners operiert dieser mit Luftzahlen in einem Bereich von 2, im Extremfall auch noch bei brennstoffreicheren Bedingungen, beispielsweise bei Luftzahlen von 1.7, 1.5, oder gar 1.3, wobei aber in jedem Falle Luftzahlen im Bereich zwischen 2.5 und 2, bevorzugt etwa 2.3, erreicht werden. Die Verbrennungszone weist daher deutlich höhere Temperaturen auf, als im Teillastgebiet, wo Brennerluftzahlen von 3 oder 4 auftreten, und ist an sich wesentlich stabiler. Es wird bei hohen Lasten also keine so ausgeprägte Rückströmzone benötigt. Es besteht im Gegenteil die Gefahr, dass Heissgas aus der Verbrennungszone entlang der Brennerachse in den Brenner hinein eingesaugt wird. Ein solches Rückzünden kann einerseits die Integrität des Brenners, im Extremfall eines ganzen Maschinensatzes, gefährden. Auf der anderen Seite kann sich ein Flip-Flop-Effekt der Flamme zwischen zwei Verbrennungsmoden innerhalb und ausserhalb des Brenners aufschaukeln. Weiterhin ist für eine hohe Last eine räumlich grösser verteilte Verbrennungszone erwünscht. Zusammenfassend wäre also festzustellen, dass hier eine geringere Drallzahl der Wirbelströmung 144 wünschenswert und realisierbar ist, was aber den Betriebsbereich zu kleinen Lasten hin wieder einschränkt. Um die Gefahr des Flammenrückschlages zu verringern, ist es auch bekannt, zentral eine axiale Luftströmung in den Brenner einzubringen, was das Teillastverhalten des Brenners wiederum negativ beeinflusst, da die Rückströmzone von der Brennermündung fortgetrieben wird. Letztlich müssen die konstruktiv vorzugebenden Strömungsparameter der Verbrennungsluftströmung immer einen Kompromiss darstellen, nicht zuletzt auch aufgrund der Tatsache, dass beispielsweise beim Einsatz in Gasturbinen die Zuströmbedingungen der Verbrennungsluft zum Brenner in Bezug auf den Massenstrom, die Temperatur und den Druck stark variieren, so, dass es ohnehin schwierig ist, eine definierte Verbrennungsluftströmung zu schaffen. Auf an sich bekannte Weise wird entlang der Brennerachse, respektive der Drallerzeugerachse 100a eine axiale Zentralströmung 145 ins Zentrum des Brenners eingebracht. Zur Anpassung an die Betriebsbedingungen ist die Zentralströmung variabel ausgeführt. Zentral am kopfseitigen Ende des Brenners, also am stromaufwärtigen Ende, findet sich eine Eindüsungsvorrichtung 112. Die hier dargestellte Eindüsungsvorrichtung besteht aus einem Durchströmkörper 1121. Dieser ist im Ausführungsbeispiel im wesentlichen ein hohlgebohrter Zylinder, mit einer offenen Stirnseite, und einer Stirnseite, die einen Boden 1124 aufweist. Dabei weist der Boden 1124 eine Öffnung 1125 auf, deren Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser der Zylinderbohrung. Der Durchströmkörper 1121 endet mit der offenen Seite stumpf an einem anströmseitigen, das heisst stromaufwärtigen Ende des Brenners oder des Drallerzeugers 100, während der Boden 1124 mit seiner Öffnung zum Inneren 122 des Brenners hin weist. Hierdurch wird ein Luftstrom, welcher von der Anströmseite her zum Brenner strömt, grösstenteils durch die tangentialen Einlassschlitze 121 als Verbrennungsluft 141 tangential in den Brenner geführt; ein Teilstrom aber, abhängig vom Durchströmquerschnitt der Eindüsungsvorrichtung, strömt als axialer Luftstrom 145 entlang der Brennerachse 100a in das Zentrum des Brenners ein, und beeinflusst durch den zusätzlichen axialen Impuls die axiale Lage der Rückströmzone 123. In den Durchströmkörper 1121 ist koaxial ein verstellbarer Zentralkörper 1122 eingesetzt. Dieser verjüngt sich an einem Ende mit einem Konus 1123. Dieser Konus ragt wenigstens in einer axialen Position des Zentralkörpers in die Öffnung des Bodens des Durchströmkörpers hinein. Durch eine axiale Verstellung des Zentralkörpers 1122 versperrt der Konus 1123 die Öffnung in einem unterschiedlichen Ausmasse, und definiert so den engsten Durchströmquerschnitt der Eindüsungsvorrichtung 112. Durch eine axiale Verstellung des als Steuerkörper dienenden Zentralkörpers kann die axiale Zentralströmung 145 gesteuert und damit auch die Lage und Intensität des Rückströmzone 123 verändert werden. Dies ermöglicht es also, die Intensität der Zentralströmung an die Betriebsbedingungen des Brenners anzupassen. Der stabile und sichere Betriebsbereich des Brenners wird somit nochmals wesentlich erweitert. Gemäss der Erfindung wird die axiale Zentralströmung bei niedrigen Lasten vergleichsweise stark gedrosselt, derart, dass die Rückströmenzone nahe an der Brennermündung zu liegen kommt. Mit steigender thermischer Belastung des Brenners, welche beispielsweise durch eine steigende Brennstoffzufuhr zum Brenner ausgedrückt werden kann, wird die Axialströmung stärker freigegeben, wodurch die Rückströmenzone weiter von der Brennermündung weggetrieben wird. Damit werden die oben als günstig charakterisierten Betriebsmodi erreicht.FIG. 1 shows a premix burner suitable for implementing the method according to the invention, as has become known per se from EP 0 321 809. The burner essentially consists of a swirl generator 100 for a combustion air stream, which is formed from two conical partial bodies 101, 102. In the cross-section shown in FIG. 2, it can be seen that the partial bodies 101 and 102 with their axes 101a and 102a are offset relative to the burner axis 100a as well as mutually offset laterally. Due to this lateral offset of the partial bodies, tangential inlet slots 121 are formed between the partial bodies. Through the tangential inlet slots 121, a combustion air flow 141 flows substantially tangentially into the interior 122 of the swirl generator. It is of course also possible to carry out such a swirl generator with a different number of partial bodies; in Fig. 3 is the completely analogous structure with, for example shown four swirler-part bodies 101, 102, 103 and 104, with the staggered axes 101 a, 102 a, 103 a, 104 a of the partial body. Referring again to Figure 1, a swirl flow 144 is formed inwardly of the swirl generator, the axial flow component of which faces toward a downstream orifice of the swirl generator. The body parts 101, 102 adjoin a front plate 108 at a downstream end of the swirl generator. The front plate 108 usually forms the end wall of a combustion chamber 50, and is often cooled in a manner not shown in the figure and not essential to the invention. The interior 122 of the swirl generator has substantially the shape of a truncated cone extending from an upstream to a downstream end of the swirl generator or burner. The axial flow cross-section formed in this way has a sudden cross-sectional widening at a downstream end, at the mouth into the combustion chamber 50. Due to the jump in the cross section, the vortex flow 144 bursts open and a return flow zone 123 forms in the region of the burner mouth. In the swirl generator, the combustion air flow is supplied with a suitable amount of fuel. In the exemplary embodiment, fuel lines 111 are arranged along the part bodies in the axial direction of the swirl generator, in the region of the tangential inlet slots 121. In the exemplary embodiment, rows of fuel outlet holes 1111 can be seen. A fuel quantity 142 is supplied via the fuel lines 111, and flows via the fuel outlet openings 1111 into the interior 122 of the swirl generator 100. This type of fuel admixture is frequently and preferably used with gaseous fuels. In the interior of the swirl generator, there is an intensive mixing of the amount of fuel 142 with the tangentially incoming combustion air 141. At the outlet from the burner into the combustion chamber 50 in the swirl flow 144 is a very homogeneous mixture of air and fuel. In the region of the return flow zone 123, a flame from the premixed air-fuel mixture can stabilize. Due to the good premix of air and fuel, this flame can avoiding stoichiometric zones with the formation of "hot spots" with a fairly high excess of air - as a rule, one finds air numbers of two and above at the burner itself. Because of these comparatively cool combustion temperatures, very low nitrogen oxide emissions can be achieved with such burners without expensive exhaust aftertreatment. Due to the good premixing of the fuel with the combustion air and a good flame stabilization by the backflow zone, it still continues despite the low combustion temperatures to a good burnout and thus low emissions of partially and unburned, especially carbon monoxide and unburned hydrocarbons, but also other undesirable organic Links. Furthermore, the purely aerodynamic flame stabilization by the bursting of the vortex flow 144 ("Vortex Breakdown") proves to be advantageous. By dispensing with mechanical flame holders, no mechanical components come into contact with the flame per se. The dreaded failure of mechanical flame holders due to overheating with possibly subsequent serious accidents of machine sets is thus excluded. Furthermore, the flame loses no heat except on cold walls due to radiation. This also contributes to the uniformity of the flame temperature and thus low pollutant emissions and good combustion stability. A decisive factor for the operating behavior of such a burner, as indicated in the figure, is the position of the return flow zone 123. This in turn is essentially determined by the swirl number, roughly the ratio of the peripheral component to the axial component of the swirl flow 144 Rotation speed of the vortex flow 144 large, so forms a broad backflow zone. Under these conditions, a robust Rückströmzone lying close to the burner opening and thus forms a stable combustion zone during operation. These are conditions as desired in the interest of good flame stability at low burner loads, ie high torch air numbers and also necessary for stabilizing the flame burning at comparatively low temperatures are. On the other hand, in the case of the high swirl numbers of the combustion air flow along the burner axis, a region of low pressure is formed which sucks the backflow zone and thus the flame into the burner interior. But this is undesirable at high burner loads. At full load of this burner this operates with air numbers in a range of 2, in extreme cases, even at fuel-rich conditions, for example at air ratios of 1.7, 1.5, or even 1.3, but in any case air figures in the range between 2.5 and 2, preferably about 2.3 , be achieved. The combustion zone therefore has significantly higher temperatures than in the partial load zone, where burner air counts of 3 or 4 occur, and is inherently much more stable. It is not required at high loads so pronounced Rückströmzone. On the contrary, there is the danger that hot gas from the combustion zone is sucked into the burner along the burner axis. On the one hand, such reignition can endanger the integrity of the burner, in the extreme case of an entire machine set. On the other hand, a flip-flop effect of the flame can oscillate between two combustion modes inside and outside the burner. Furthermore, a spatially larger combustion zone is desired for a high load. In summary, it should be noted that here a smaller swirl number of the swirling flow 144 is desirable and feasible, but this restricts the operating range to small loads. In order to reduce the risk of flashback, it is also known to introduce centrally an axial air flow in the burner, which in turn adversely affects the partial load behavior of the burner, since the Rückströmzone is driven away from the burner mouth. Ultimately, the flow parameters of the combustion air flow which are to be given constructively must always be a compromise, not least because of the fact that, for example, when used in gas turbines, the inflow conditions of the combustion air to the burner with respect to the mass flow, the temperature and the pressure vary greatly anyway difficult to create a defined combustion air flow. On In a known manner, an axial central flow 145 is introduced into the center of the burner along the burner axis, respectively the swirler axis 100a. To adapt to the operating conditions, the central flow is variable. Centrally located at the head end of the burner, ie at the upstream end, there is a injection device 112. The injection device shown here consists of a Durchströmkörper 1121. This is in the embodiment substantially a hollowed cylinder, with an open end face, and a front side, the bottom 1124 has. In this case, the bottom 1124 has an opening 1125 whose diameter is smaller than the inner diameter of the cylinder bore. The throughflow body 1121 ends flush with the open side at an upstream, ie upstream end of the burner or the swirl generator 100, while the bottom 1124 points with its opening to the interior 122 of the burner. As a result, an air flow, which flows from the inflow side to the burner, for the most part out tangentially into the burner through the tangential inlet slots 121 as combustion air 141; but a partial flow, depending on the Durchströmquerschnitt the injection device, flows as an axial air flow 145 along the burner axis 100a in the center of the burner, and influenced by the additional axial pulse, the axial position of the Rückströmzone 123. In the Durchströmkörper 1121 coaxially an adjustable central body 1122 used. This tapers at one end with a cone 1123. This cone protrudes at least in an axial position of the central body in the opening of the bottom of the Durchströmkörpers. By an axial adjustment of the central body 1122 of the cone 1123 obstructs the opening to a different extent, thus defining the narrowest flow area of the injection device 112. By an axial adjustment of serving as a control body central body, the axial central flow 145 can be controlled and thus the position and intensity the Rückströmzone 123 are changed. This makes it possible, the Adjust the intensity of the central flow to the operating conditions of the burner. The stable and safe operating range of the burner is thus significantly expanded again. According to the invention, the axial central flow is comparatively strongly throttled at low loads, such that the return flow zone comes to lie close to the burner mouth. As the thermal load of the burner increases, which can be expressed, for example, by an increasing fuel supply to the burner, the axial flow is released more, whereby the return flow zone is further driven away from the burner mouth. Thus, the above-characterized as favorable operating modes are achieved.

Bei den Vormischbrennern, auf welche die Erfindung bevorzugt Anwendung findet, wird häufig Brennstoff auch zentral zugeführt, wobei diese Brennstoffzuführung sowohl alternativ als auch ergänzend zu der oben beschriebenen Brennstoffzuführung über die Leitungen 111 Anwendung findet. Ein solcher Brenner ist in Fig. 4 dargestellt Der Brenner ist in wesentlichen Elementen insbesondere im Bezug auf den Drallerzeuger 100 und die Zufuhr der Brennstoffmenge 142, vollkommen identisch zu dem in Fig. 1 dargestellten Brenner aufgebaut, weshalb sich eine detaillierte Beschreibung erübrigt, und die folgenden Ausführungen sich auf die Unterschiede dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform beschränken können. Einerseits sind am Frontsegment 108 Filmkühlbohrungen 1081 zu erkennen, durch die eine Kühlluft 148 zur Kühlung des Frontsegmentes strömt. Weiterhin findet sich kopfseitig, d.h. am stromaufwärtigen Ende, des Drallerzeugers eine zentrale Brennstoffdüse. Üblicherweise wird über eine solche zentrale Düse Flüssigbrennstoff oder sogenanntes Pilotgas für den Brenngasbetrieb des Brenners im untersten Teillastbereich in den Verbrennungsluftstrom eingebracht; es kann auch beides kombiniert werden. Der zentral einzubringende Brennstoff 146 wird der Brennstoffdüse 113 über eine Brennstoffleitung 1131 zugeführt. Dargestellt ist im Ausführungsbeispiel in der Figur 4 ein Brennstoffkegel 147, beispielsweise ein Flüssigbrennstoffspray, welcher sich ausgehend von der zentralen Brennstoffdüse 113 im Inneren 122 des Drallerzeugers ausbreitet, und sich weiter stromab sukzessive mit der Drallströmung 144 vermischt. Üblicherweise wird bei der realen Ausführung eines solchen Brenners, wie er in Figur 4 dargestellt ist, im Gasbetrieb der Hauptbrennstoff als Brennstoffmenge 142, als sogenanntes Vormischgas, zugeführt. Die zentrale Brennstoffzuführung kann verwendet werden, um einerseits das oben erwähnte sogenannte Pilotgas zuzuführen. Weiterhin ist es bekannt, derartige Brenner als Zweistoff- ("Dual Fuel"-) Brenner auszuführen, die sowohl mit gasförmigen wie auch mit flüssigen Brennstoffen betrieben werden können; in diesem Fall findet in der Praxis eine zentrale Flüssigbrennstoffdüse Anwendung. Es ist auch bekannt, sowohl Flüssigbrennstoffdüsen als auch Pilotgaszuführungen im Kopfbereich eines Brenners zu implementieren. Daneben finden im Kopfbereich der Brenner häufig noch Düsen für Wasser- oder Dampfeinspritzung, welche häufig benutzt wird, um beim Öl- oder Pilotgasbetrieb des Brenners eine weitere Reduktion der Stickoxidemissionen zu erreichen. In solchen Fällen liegen im Kopfbereich des Brenners mitunter sehr beengte Platzverhältnisse vor, welche die Verwendung einer Zentralluftzufuhr der Art, wie sie in der ersten bevorzugten Ausführungsform in Figur 1 dargestellt ist, unmöglich machen. Es wird daher eine ringförmig um die Brennstoffdüse angeordnete Zentralluftzuführung 112 verwendet. Diese ist detaillierter in der Fig. 5 dargestellt. Brennstoffleitung 1131 mit der Brennstoffdüse 113 ist ein im wesentlichen ringförmiger Durchströmkörper 1121 angeordnet. Der Durchströmkörper 1121 ist mit einer Anzahl innerer Steuerbohrungen versehen, und konzentrisch in einem Aussenkörper 1126 angeordnet. Der Aussenkörper 1126 ist mit einer Anzahl äusserer Steuerbohrungen 1127 versehen, wobei jeder äusseren Steuerbohrung 1127 des Aussenkörpers 1126 eine innere Steuerbohrung 1128 des Durchströmkörpers 1121 zugeordnet ist. Die Zentralströmung strömt durch Paare von Steuerbohrungen in den zwischen der Brennstoffleitung 1131 bzw. der Brennstoffdüse 113 und dem Durchströmkörper 1121 gebildeten Ringspalt ein, und von dort axial in den Innenraum 122 des Drallerzeugers aus. Der Aussenkörper 1126 und der Durchströmkörper 1121 sind relativ zueinander verdrehbar und/oder axial verschieblich angeordnet. Damit kann der Überdeckungsgrad von inneren Steuerbohrungen 1128 und äusseren Steuerbohrungen 1127, somit also der Durchströmquerschnitt und der Massenstrom der Zentralströmung 145, variiert werden.In the premix burners to which the invention is preferably applied, fuel is also often supplied centrally, said fuel supply is used both alternatively and in addition to the above-described fuel supply via the lines 111 application. Such a burner is shown in Fig. 4 The burner is constructed in essential elements, in particular with respect to the swirler 100 and the supply of fuel quantity 142, completely identical to the burner shown in Fig. 1, therefore, a detailed description is unnecessary, and the The following statements may be limited to the differences of this second preferred embodiment. On the one hand, film cooling holes 1081 can be seen on the front segment 108, through which a cooling air 148 flows to cool the front segment. Furthermore, there is a central fuel nozzle at the head end, ie at the upstream end, of the swirl generator. Usually, liquid fuel or so-called pilot gas for the fuel gas operation of the burner is introduced into the combustion air flow in the lowest part-load range via such a central nozzle; it can also be combined. The centrally introduced fuel 146 is supplied to the fuel nozzle 113 via a fuel line 1131. Shown in the exemplary embodiment in FIG. 4 is a fuel cone 147, for example a liquid fuel spray, which extends from the central fuel nozzle 113 in the interior 122 of the swirl generator, and further downstream mixed successively with the swirl flow 144. Usually, in the real embodiment of such a burner, as shown in Figure 4, in the gas operation of the main fuel as fuel quantity 142, as a so-called premix gas supplied. The central fuel supply can be used, on the one hand to supply the above-mentioned so-called pilot gas. Furthermore, it is known to carry out such burners as dual-fuel burners which can be operated with both gaseous and liquid fuels; in this case a central liquid fuel nozzle is used in practice. It is also known to implement both liquid fuel nozzles and pilot gas supplies in the head area of a burner. In addition, in the head region of the burner often find still nozzles for water or steam injection, which is often used to achieve a further reduction of nitrogen oxide emissions in the oil or pilot gas operation of the burner. In such cases, there are sometimes very cramped spaces in the head area of the burner, which make it impossible to use a central air supply of the type shown in FIG. 1 in the first preferred embodiment. It is therefore an annular arranged around the fuel nozzle central air supply 112 is used. This is shown in more detail in FIG. 5. Fuel line 1131 with the fuel nozzle 113, a substantially annular flow body 1121 is arranged. The Durchströmkörper 1121 is provided with a number of inner control bores, and arranged concentrically in an outer body 1126. The outer body 1126 is provided with a number of outer control bores 1127, wherein each outer control bore 1127 of the outer body 1126 is associated with an inner control bore 1128 of the Durchströmkörpers 1121. The central flow flows through pairs of control bores into the annular gap formed between the fuel line 1131 or the fuel nozzle 113 and the flow-through body 1121, and from there axially into the interior 122 of the swirl generator. The outer body 1126 and the Durchströmkörper 1121 are relative to each other rotatable and / or arranged axially displaceable. Thus, the degree of overlap of inner control bores 1128 and outer control bores 1127, thus thus the flow area and the mass flow of the central flow 145, can be varied.

Ein weiterer beispielhafter Brenner ist in der Fig. 6 dargestellt. Der Brenner 1 ist an einer Brennkammer 20, beispielsweise einer Gasturbine, angeordnet, und mündet in einen Brennraum 50. Luft strömt von einem nicht dargestellten Verdichter in eine Luftkammer 60, welche von einem Gehäuse 4 umschlossen ist. Innerhalb des Gehäuses 4 ist eine Brennerhaube 5 angeordnet, welche wiederum den Brenner 1 umschliesst. Innerhalb der Brennerhaube ist ein Plenum 55 ausgebildet, welches in Fluidverbindung mit der Luftkammer 60 steht. Ein Verbrennungsluftstrom 141 strömt aus der Luftkammer 60 in das Plenum 55 ein, und von dort durch tangentiale Einlassschlitze in das Innere des Brenners 1, wo diese Luft auf die oben beschriebene Weise eine Drallströmung ausbildet und mit Brennstoff vermischt wird. Der Brenner ist auf die oben beschriebene Weise mit einer zentralen Eindüsungsvorrichtung 112 versehen. Die zentrale Eindüsungsvorrichtung ist mit einer Zentralluft-Zuleitung 1129 verbunden. Die Luftkammer 60 ist mit einer Bypassleitung 61 versehen. Die Bypassleitung 61 und die Zentralluft-Zuleitung 1129 sind miteinander derart verbunden, dass ein Zentralluftstrom 145 von der Bypassleitung 61 zur Zentralluft-Zuleitung 1129 strömen kann. In diesem Strömungsweg ist ein verstellbares Drosselorgan 62 als Stellorgan für den Zentralluftstrom 145 angeordnet. Somit kann der Zentralluftstrom ebenfalls wie oben beschrieben variiert und den Lastbedingungen des Brenners angepasst werden. Gegenüber den in den Figuren 1 und 4 dargestellten Ausführungsformen der steuerbaren Zentrallufteindüsung erfordert das hier dargestellte Ausführungsbeispiel einerseits einen erhöhten apparativen Aufwand, da ein Leitungssystem angeordnet werden muss; im Gegenzug kann das mechanisch vergleichsweise empfindliche Stellorgan an einer geeigneten und thermisch geringer belasteten Stelle angeordnet werden.Another exemplary burner is shown in FIG. The burner 1 is arranged on a combustion chamber 20, for example a gas turbine, and opens into a combustion chamber 50. Air flows from a compressor, not shown, into an air chamber 60, which is enclosed by a housing 4. Within the housing 4, a burner hood 5 is arranged, which in turn encloses the burner 1. Within the burner hood a plenum 55 is formed which is in fluid communication with the air chamber 60. A combustion air flow 141 flows from the air chamber 60 into the plenum 55, and from there through tangential inlet slots into the interior of the burner 1, where this air in the manner described above forms a swirling flow and is mixed with fuel. The burner is provided with a central injection device 112 in the manner described above. The central injection device is connected to a central air supply line 1129. The air chamber 60 is provided with a bypass line 61. The bypass line 61 and the central air supply line 1129 are connected to one another such that a central air flow 145 can flow from the bypass line 61 to the central air supply line 1129. In this flow path, an adjustable throttle member 62 is arranged as an actuator for the central air flow 145. Thus, the central air flow can also be varied as described above and adapted to the load conditions of the burner. Compared with the embodiments of the controllable central air injection shown in FIGS. 1 and 4, the exemplary embodiment shown here requires, on the one hand, an increased amount of equipment, since a line system has to be arranged; in return, the mechanically comparatively sensitive actuator can be arranged at a suitable and less thermally stressed point.

Eine spezielle Ausführungsform der Zentralluftversorgung mit Stellorgan ist in Fig. 7 gezeigt. Sowohl der Luftbypass 61 als auch die Zentralluft-Zuleitung 1129 münden in einem Überströmraum 63. Innerhalb des Überströmraumes ist eine Drosselklappe 64 angeordnet. Diese ist um eine Achse drehbar gelagert, wie durch den Pfeil in der Zeichnung angedeutet. Durch ein Verdrehen der Drosselklappe 64 kann der freie Strömungsquerschnitt des Überströmraumes verändert werden, woraus eine Variation des Zentralluftstromes 145 resultiert.A special embodiment of the central air supply with actuator is shown in Fig. 7. Both the air bypass 61 and the central air supply line 1129 open into an overflow 63. Within the overflow a throttle valve 64 is arranged. This is rotatably mounted about an axis, as indicated by the arrow in the drawing. By rotating the throttle flap 64, the free flow cross section of the overflow space can be changed, resulting in a variation of the central air flow 145 results.

Vormischbrenner sind dem Fachmann in unterschiedlichen Ausbildungen geläufig, die sich von den in den Figuren 1, 4, 6 und 7 dargestellten Brennern, die im wesentlichen aus einem kegelförmigen Drallerzeuger bestehen, in der konkreten Ausführung unterscheiden. Gleichwohl sind alle diese Brenner nach einem gemeinsamen Prinzip aufgebaut: Sie weisen einen Drallerzeuger in Form eines Hohlkörpers mit einer Längserstreckung auf, welcher einen Drallerzeuger-Innenraum einschliesst. Der Drallerzeuger weist weiterhin in Richtung der Drallerzeuger-Längsachse erstreckte Einlassschlitze oder in Richtung der Längsachse angeordnete Einlassöffnungen auf, deren Durchströmquerschnitt im wesentlichen eine tangentiale Strömungsrichtung vorgibt. Durch diese Einlassöffnungen strömt Verbrennungsluft mit einer starken tangentialen Geschwindigkeitskomponente in den Drallerzeuger-Innenraum ein, und bildet dort eine Drallströmung mit einer gewissen zur Brennermündung in den Brennraum gerichteten Axialkomponente aus. Zumindest im Bereich der Luft-Einlassöffnungen ist dabei der axiale Srömungsquerschnitt des Drallerzeuger-Innenraums zur Brennermündung hin erweitert. Diese Ausbildung ist günstig, um bei dem in Richtung der Drallerzeugerachse zunehmenden Verbrennungsluft-Massenstrom im Drallerzeuger-Innenraum eine konstante Drallzahl der Drallströmung zu erreichen. Weiterhin weisen diese Brenner Mittel auf, um Brennstoff in die Verbrennungsluft-Strömung einzubringen, welcher sich im Drallerzeuger und in einer fakultativ stromab des Drallerzeugers anzuordnenden Mischzone, beispielsweise einem Mischrohr, möglichst homogen mit der verdrallten Verbrennungsluft vermischt. Am Austritt aus dem Brenner in den Brennraum liegt ein Querschnittssprung des axialen Strömungsquerschnittes vor. Hier kommt es zu einem Aufplatzen der Drallströmung, und der Ausbildung einer zentralen Rückströmzone, die, wie oben bereits ausführlich beschrieben, zur Stabilisierung einer Flamme nutzbar ist.Premix burners are familiar to the person skilled in various designs, which differ from the burners shown in FIGS. 1, 4, 6 and 7, which essentially consist of a conical swirl generator, in the concrete embodiment. However, all these burners are based on a common principle: they have a swirl generator in the form of a hollow body with a longitudinal extent, which encloses a swirl generator interior. The swirl generator further has inlet slots extending in the direction of the swirl generator longitudinal axis or inlet openings arranged in the direction of the longitudinal axis, whose flow cross-section essentially defines a tangential flow direction. Through these inlet openings combustion air flows with a strong tangential velocity component in the swirler interior, where it forms a swirl flow with a certain to Brennermündung directed into the combustion chamber axial component. At least in the area of the air inlet openings, the axial flow cross section of the swirl generator interior is widened toward the burner mouth. This design is favorable in order to achieve a constant swirl number of the swirl flow in the direction of the swirl generator axis increasing combustion air mass flow in the swirl generator interior. Furthermore, these burners have means for introducing fuel into the combustion air flow, which mixes as homogeneously as possible with the twisted combustion air in the swirl generator and in a mixing zone, for example a mixing tube, to be arranged downstream of the swirl generator. At the exit from the burner into the combustion chamber is a cross-sectional jump of the axial flow cross-section. Here, there is a bursting of the swirl flow, and the formation of a central backflow zone, which, as already described in detail above, can be used to stabilize a flame.

Es ist beispielsweise aus der EP 0 780 629, welche Schrift im Übrigen einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung darstellt, bekannt, stromab des Drallerzeugers eines Brenners ein Mischrohr anzuordnen. Die Realisierung der Erfindung mit einem solchen Brenner ist in Figur 8 beispielhaft dargestellt. Stromab eines kegeligen Drallerzeugers 100, dessen Aufbau und Funktion an dieser Stelle nicht mehr im Detail zu diskutieren ist, ist eine Mischstrecke 200 angeordnet. Der Drallerzeuger ist auf einem Haltering 210 befestigt. In dem Haltering 210 ist weiterhin ein Übergangselement 220 angeordnet. Dieses ist mit einer Anzahl von Übergangskanälen 221 versehen, welche die im Drallerzeuger 100 aus der einströmenden Verbrennungsluft generierte Drallströmung 144 ohne plötzliche Querschnittsänderungen in die Mischstrecke überführt stromab des Übergangselementes ist das eigentliche Mischrohr 230 angeordnet. In dem Mischrohr kommt es nötigenfalls zu einer weiteren Homogenisierung der Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff. Aufgrund der gleichmässigen Bereitstellung eines zündfähigen Gemisches über den gesamten Strömungsquerschnitt des Mischrohres besteht die Gefahr, dass eine Flamme entlang der impulsarmen Wandgrenzschichten in das Mischrohr zurückzündet. Daher ist das Mischrohr mit im spitzen Winkel zur Brennerachse verlaufenden Wandfilmbohrungen 231 versehen. Über diese strömt eine Luftmenge 150 in das Mischrohr ein, und bildet dort einen Wandfilm aus. Durch die Beschleunigung respektive Verkleinerung der Wandgrenzschichten einerseits und die Verdrängung zündfähigen Gemisches aus den impulsarmen Bereichen andererseits wird dieses Rückzünden wirkungsvoll unterbunden. Das Mischrohr 230 verfügt an der Mündung in den Brennraum 50 über eine Abrisskante 232, welche ebenfalls die Form und Lage der sich an der Brennermündung ausbildenden Rückströmzone 123 stabilisiert. Das Mischrohr ist an einem gleichzeitig eine Brennraumwand bildenden Frontsegment 108 befestigt, welches in diesem Beispiel über Prallkühlbleche 109 und Prallkühlluft 149 prallgekühlt ist. Neben der Gefahr des Rückzündens entlang der Wandgrenzschichten besteht auch hier die Gefahr des Rückzündens der Flamme entlang der Brennerachse 100a bei hoher Last, oder die Gefahr des Abschwimmens der Rückströmzone 123 mit Flammeninstabilitäten bei niedriger Last. Um dies zu vermeiden, ist auch der in Figur 8 dargestellte Brenner mit einer nicht ausführlich dargestellten steuerbaren Eindüsungsvorrichtung für eine axiale Zentralströmung 145 ausgestattet, die wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wirkt. Selbstverständlich kann diese auch hier mit einer zentralen Brennstoffdüse kombiniert sein.It is known, for example, from EP 0 780 629, which document moreover forms an integral part of this application, to arrange a mixing tube downstream of the swirl generator of a burner. The realization of the invention with such a burner is shown by way of example in FIG. Downstream of a conical swirl generator 100, the structure and function of which is no longer to be discussed in detail at this point, a mixing section 200 is arranged. The swirl generator is mounted on a retaining ring 210. In the retaining ring 210, a transition element 220 is further arranged. This is provided with a number of transition channels 221, which converts the swirl flow 144 generated in the swirl generator 100 from the incoming combustion air into the mixing section without sudden changes in cross section downstream of the transition element, the actual mixing tube 230 is arranged. In the mixing tube, if necessary, it comes to a further homogenization of the mixing of combustion air and fuel. Due to the uniform provision of an ignitable mixture over the Throughout the flow cross-section of the mixing tube, there is the danger that a flame ignites back into the mixing tube along the low-impulse wall boundary layers. Therefore, the mixing tube is provided with running at an acute angle to the burner axis wall film holes 231. About this flows an amount of air 150 in the mixing tube, where it forms a wall film. By the acceleration respectively reduction of the wall boundary layers on the one hand and the displacement of ignitable mixture from the low-pulsed regions on the other hand, this reignition is effectively prevented. The mixing tube 230 has at the mouth into the combustion chamber 50 via a tear-off edge 232, which also stabilizes the shape and position of forming at the burner mouth Rückströmzone 123. The mixing tube is fastened to a front segment 108 that simultaneously forms a combustion chamber wall, which in this example is impact-cooled by impact cooling plates 109 and impingement cooling air 149. In addition to the risk of flashback along the wall boundary layers, there is also the risk of flashback of the flame along the burner axis 100a at high load, or the risk of the Rückströmzone 123 with flame instabilities at low load. In order to avoid this, the burner shown in FIG. 8 is also equipped with a controllable injection device (not shown in detail) for an axial central flow 145, which acts as in the exemplary embodiments described above. Of course, this can also be combined here with a central fuel nozzle.

Aus WO 93/17279 und EP 0 945 677 sind gleichfalls Brenner bekannt, welche zylindrische Drallerzeuger mit tangentialen Verbrennungslufteinlässen aufweisen. In diesem Zusammenhang ist auch bekannt, im Inneren eines zylindrischen Drallerzeugers einen sich zur Brennermündung hin verjüngenden Verdrängungskörper anzuordnen. Durch einen derartigen Drallerzeuger-Innenkörper können weiterhin die oben angegebenen günstigen Kriterien für den axialen Durchflussquerschnitt des Drallerzeugers, nämlich, dass der axiale Durchflussquerschnitt in axialer Durchströmungsrichtung zunimmt, erfüllt werden. Ausführungsformen solcher Brenner sind in den Figuren 9 und 10 dargestellt. Die erste Ausführungsform in Figur 9 zeigt das Prinzip eines derartigen Brenners. Die Funktionsweise ist hinreichend bekannt und im Zusammenhang mit Figur 1 prinzipiell erläutert; Abweichend von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Brenners weist die in Fig. 9 dargestellte Ausführungsform allerdings einen kegeligen, sich zur Brennermündung in den Brennraum 50 hin verjüngenden Verdrängungskörper auf. Die Eindüsungsvorrichtung 112 für axiale Zentralströmung 145 wird zweckmässig im Bereich des stromabwärtigen Endes diese Verdrängungskörpers angeordnet. Die Zuströmung zu der Eindüsungsvorrichtung 112 kann mit Vorteil im Inneren des Verdrängungskörpers angeordnet werden; dort findet sich ebenfalls Platz für die erfindungsgemäss am Brenner anzuordnenden Steuerungsmittel. Weiterhin können hier bei Bedarf natürlich problemlos zentrale Brennstoffeindüsungen angeordnet werden.WO 93/17279 and EP 0 945 677 likewise disclose burners which have cylindrical swirl generators with tangential combustion air inlets. In this connection, it is also known to arrange a displacement body tapering towards the burner mouth inside a cylindrical swirl generator. By such a swirl generator inner body can continue the above-mentioned favorable criteria for the axial flow cross-section of the swirl generator, namely, that the axial flow cross-section in axial Flow direction increases, are met. Embodiments of such burners are shown in FIGS. 9 and 10. The first embodiment in Figure 9 shows the principle of such a burner. The operation is well known and explained in principle in connection with Figure 1; Notwithstanding the embodiment of a burner according to the invention shown in FIG. 1, however, the embodiment shown in FIG. 9 has a conical displacement body tapering towards the burner opening into the combustion chamber 50. The injection device 112 for axial central flow 145 is expediently arranged in the region of the downstream end of this displacement body. The inflow to the injection device 112 can be advantageously arranged in the interior of the displacement body; There is also room for the invention to be arranged on the burner control means. Furthermore, central fuel injections can of course be arranged here without problems, if required.

Fig. 10 zeigt eine derartige Ausführung des Brenners, wie sie in der Grundform in der EP 0 945 677 ausführlich beschrieben ist, detaillierter. Der Verdrängungskörper 105 ist hohl und an seinem dem Brennraum 50 zugewandten Ende stumpf ausgebildet. Die Eindüsungsvorrichtung 112 für die axiale Zentralströmung ist innerhalb des hohlen und zur stromaufwärtigen Anströmseite des Brenners offenen Verdrängungskörper 105 angeordnet. Der Massenstrom der Axialströmung 145 kann mittels einem axial verschieblichen Zentralkörper 1122 mit einem Steuerkonus 1123 verändert werden. Dabei ist der eigentliche Steuermechanismus mit dem Konus aus Platzgründen im stromaufwärtigen Teil des Verdrängungskörper-Innenraumes angeordnet. Am stromabwärtigen Ende des Verdrängungskörpers ist im Inneren eine Kammer angeordnet. Zu dieser Kammer führt durch den hohlen Verdrängungskörper hindurch eine Brennstoffleitung 1131, über die der Kammer eine Brennstoffmenge 146 zugeführt wird. Dieser Brennstoff kann über als zentrale Brennstoffdüse wirkende Austrittsöffnungen 113 als zentral eingedüster Brennstoff in den verdrallten Verbrennungsluftstrom 144 strömen. Durch die Steuerung des axial eingebrachten Massenstroms 145 mittels des Steuerkonus 1123 kann die Lage der Rückströmzone 123 den jeweiligen Betriebsbedingungen des Brenners angepasst werden. Selbstverständlich sind hier auch Ausführungen der Brennstoffeindüsung und der Eindüsung der axialen Zentralströmung möglich, bei denen der Brennstoff entlang der Brennerachse 100a eingebracht wird, und die Eindüsungsvorrichtung für die Zentralströmung ringförmig angeordnet ist, etwa analog zu den in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen.Fig. 10 shows in more detail such an embodiment of the burner as described in detail in the basic form in EP 0 945 677. The displacement body 105 is hollow and formed bluntly at its end facing the combustion chamber 50. The axial central flow injection device 112 is disposed within the hollow displacement body 105 open to the upstream upstream side of the burner. The mass flow of the axial flow 145 can be changed by means of an axially displaceable central body 1122 with a control cone 1123. The actual control mechanism with the cone for reasons of space in the upstream part of the displacement body interior is arranged. At the downstream end of the displacement body, a chamber is arranged inside. To this chamber passes through the hollow displacement body through a fuel line 1131 through which the chamber, a fuel amount 146 is supplied. This fuel can flow into the twisted combustion air stream 144 as centrally injected fuel via outlet openings 113 acting as a central fuel nozzle. By the Control of the axially introduced mass flow 145 by means of the control cone 1123, the position of the Rückströmzone 123 can be adapted to the respective operating conditions of the burner. Of course, embodiments of the fuel injection and the injection of the axial central flow are also possible, in which the fuel along the burner axis 100a is introduced, and the injection device for the central flow is arranged annularly, approximately analogous to the embodiments shown in Figures 4 and 5.

Selbstverständlich können auch die Brenner mit zylindrischem Drallerzeuger mit einer dem Drallerzeuger stromab nachgeschalteten Mischstrecke versehen werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.Of course, the burner can be provided with a cylindrical swirl generator with a swirl generator downstream mixing section, without departing from the spirit.

Der Einsatz eines Drallerzeugers mit einem zentralen Verdrängungskörper ermöglicht es auch, den Drallerzeuger selbst zur Mündung hin konvergent zu gestalten, und den axialen Diurchströmquerschnitt des Drallerzeuger-Innenraums dennoch divergent zu gestalten. Diese, in Figur 11 dargestellte Variante, ermöglicht einen zur Brennerachse 100a gerichteten Verlauf der transversalen Geschwindigkeitskomponente der Drallströmung 144. Auch hier kann der Zentralkörper 105 mit Vorteil mit einer Eindüsungsvorrichtung 112 zum Einbringen einer steuerbaren axialen Zentralströmung versehen werden.The use of a swirl generator with a central displacement body also makes it possible to make the swirl generator itself convergent to the mouth, and nevertheless to make the axial Diurchströmquerschnitt the swirler interior divergent. This variant, shown in FIG. 11, permits a course of the transverse velocity component of the swirl flow 144 directed toward the burner axis 100a. Here, too, the central body 105 can advantageously be provided with an injection device 112 for introducing a controllable axial central flow.

Drallerzeuger mit tangentialen Verbrennungslufteinlässen können auf unterschiedliche Weise aufgebaut sein. Neben dem in den Figuren 2 und 3 im Querschnitt dargestellten Aufbau aus mehreren Teilkörpern kommen auch monolithische Bauweisen mit Einlassöffnungen in Frage. Eine solche Ausführungsform ist in der Figur 12 im Querschnitt dargestellt. Der Drallerzeuger ist aus einem hohlzylindrischen Monolithen aufgebaut. In diesen sind Einlassöffnungen 121 in Form von axial und tangential verlaufenden Schlitzen eingearbeitet, durch welche ein Verbrennungsluftstrom 141 tangential in das Drallerzeuger-Innere 122 einströmt. Weiterhin sind Brennstoffzuführungen 111 in Form von axial verlaufenden, im Bereich der Einlassöffnungen angeordneten Bohrungen zu erkennen, welche Austrittsbohrungen 1111 aufweisen, über die eine Brennstoffmenge 142 in den Verbrennungsluftstrom 141 ausströmen kann. In Figur 13 ist ein kegelförmiger Drallerzeuger 100 aus einem monolithischen Hohlkörper dargestellt. Dieser könnte selbstverständlich auch zylindrisch sein. In den monolithischen Drallerzeuger sind tangentiale Öffnungen, beispielsweise Bohrungen, eingearbeitet, welche ebenfalls als tangentiale Eintrittsöffnungen 121 für einen Verbrennungsluftstrom 141 dienen.Swirl generators with tangential combustion air inlets can be constructed in different ways. In addition to the structure of several partial bodies shown in cross section in FIGS. 2 and 3, monolithic constructions with inlet openings are also possible. Such an embodiment is shown in cross-section in FIG. The swirl generator is constructed from a hollow cylindrical monolith. In these inlet openings 121 are incorporated in the form of axially and tangentially extending slots through which a combustion air stream 141 flows tangentially into the swirl generator interior 122. Furthermore, fuel feeds 111 are in the form of axially extending, in the region of Inlet openings arranged to detect bores, which have outlet bores 1111, via which a fuel quantity 142 can flow into the combustion air flow 141. FIG. 13 shows a conical swirl generator 100 made of a monolithic hollow body. Of course, this could also be cylindrical. In the monolithic swirl generator tangential openings, such as holes, incorporated, which also serve as tangential inlet openings 121 for a combustion air flow 141.

In Fig. 14 ist eine erste, einfach zu handhabende Betriebsweise dargestellt. Der Brenner 1 wird mit einer Brennstoffmenge 142 betrieben. Der Massenstrom dieses Brennstoffs wird an einer Messstelle 2 bestimmt. Das sich hieraus ergebende Massenstromsignal X_ṁ wird in einer Steuereinheit 3 verarbeitet, und in ein Steuersignal Y für den Verstellmechanismus der axialen Zentrallufteindüsung des Brenners 1 umgesetzt.In Fig. 14, a first, easy-to-use operation is shown. The burner 1 is operated with a fuel amount 142. The mass flow of this fuel is determined at a measuring point 2. The resulting mass flow signal X _ṁ is processed in a control unit 3, and converted into a control signal Y for the adjustment mechanism of the axial Zentralufteindüsung the burner 1.

Eine zweite, in Fig. 15 dargestellte Ausführungsform betrifft den erfindungsgemässen Einsatz eines oben beschriebenen Brenners in Gasturbinenanlagen. Im Beispiel in Figur 15 sind ein Verdichter 10, eine Turbine 30, und ein Generator 40 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Der Verdichter 10 ist mit einer verstellbaren Vorleitreihe 11 ausgestattet. Im Strömungsweg eines Arbeitsmediums ist zwischen dem Verdichter 10 und der Turbine 30 eine Brennkammer 20 angeordnet. Die Brennkammer 20 wird mit mindestens einem Brenner 1 betrieben. Von einer Steuereinheit 3 ist ein Stellsignal Y an die verstellbare Vorrichtung zur Eindüsung der axialen Zentralströmung geführt. Im dargestellten Beispiel erhält die Steuereinheit 3 ein Leistungssignal X_P, Signale X_AMB von nicht dargestellten Sensoren, welche Umgebungsbedingungen - Temperatur, Feuchte, Druck und weitere - der Umgebungsluft bestimmen, sowie ein Signal X_VLE, welches die Stellung der Vorleitreihe 11 wiedergibt. Selbstverständlich können eine ganze Reihe weiterer, Maschinen-betriebsrelevanter Daten zu der Steuereinheit 3 geführt sein; insbesondere könnte das Generator-Leistungssignal durch Brennstoffmassenstromsignale ersetzt werden. Aus diesen Grössen ist die Steuereinheit 3 in der Lage, eine verbrennungsluftspeziftsche Brennerbelastung zu bilden, und aus dieser das Steuersignal Y zu bestimmen.A second embodiment shown in FIG. 15 relates to the inventive use of a burner described above in gas turbine plants. In the example in FIG. 15, a compressor 10, a turbine 30, and a generator 40 are arranged on a common shaft. The compressor 10 is equipped with an adjustable Vorleitreihe 11. In the flow path of a working medium between the compressor 10 and the turbine 30, a combustion chamber 20 is arranged. The combustion chamber 20 is operated with at least one burner 1. From a control unit 3, a control signal Y is guided to the adjustable device for injection of the axial central flow. In the example shown, the control unit 3 receives a power signal X _P , signals X _AMB of sensors, not shown, which ambient conditions - temperature, humidity, pressure and other - determine the ambient air, and a signal X _VLE , which reproduces the position of Vorleitreihe 11. Of course, a whole series of other, machine-operationally relevant data can be led to the control unit 3; In particular, the generator power signal could be replaced by fuel mass flow signals. From these quantities, the control unit 3 is able to form a combustion air-specific burner load and to determine the control signal Y therefrom.

In Figur 16 ist wiederum eine Gasturbogruppe mit einem auf einer gemeinsamen Welle angeordneten Verdichter 10, einer Turbine 30, und einem Generator 40 dargestellt. Die Brennkammer 20 ist als Ringbrennkammer, im Längsschnitt, dargestellt, welche mit wenigstens einem Brenner 1 betrieben wird. Der Brenner 1 ist mit einer Temperaturmessstelle zur Bestimmung der Materialtemperatur versehen, welche ein Temperatursignal X_T erzeugt. Die Brennkammer 20 ist mit einer Pulsationsmessvorrichtung zur Bestimmung der Verbrennungs-Druckschwankungen versehen, welche ein Pulsationssignal X_Puls erzeugt. Die Signale X_T und X_Puls sind zu einer Steuereinheit 3 geführt, welche ein Steuersignal Y zur Steuerung der Intensität der axialen Zentralströmung generiert. Wenn die Materialtemperatur einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wird der zentral eingedüste Massenstrom erhöht, damit wird die Flamme ein Stück von der Brennermündung weggetrieben, was die Wärmebelastung des Brenners vermindert. Andererseits kann es dadurch zu einer unerwünschten Verminderung der Flammenstabilität kommen. Dies wird durch die Pulsationsmessstelle festgestellt. Wenn das Pulsationssignal X_Puls anwächst, kann der zentral eingedüste Massenstrom vermindert werden, um die Verbrennungsstabilität zu erhöhen und dem Anwachsen der Verbrennungs-Druckschwankungen entgegenzuwirken. Auf diese Weise kann die Zentraleindüsung in Abhängigkeit von gemessenen relevanten Daten geregelt werden.FIG. 16 again shows a gas turbine group with a compressor 10, a turbine 30, and a generator 40 arranged on a common shaft. The combustion chamber 20 is shown as an annular combustion chamber, in longitudinal section, which is operated with at least one burner 1. The burner 1 is provided with a temperature measuring point for determining the material temperature, which generates a temperature signal X _T. The combustion chamber 20 is provided with a pulsation measuring device for determining the combustion pressure fluctuations, which generates a pulsation signal X _pulse . The signals X _T and X _pulse are _fed to a control unit 3, which generates a control signal Y for controlling the intensity of the axial central flow. If the material temperature exceeds a certain limit, the centrally injected mass flow is increased, thus the flame is expelled a bit from the burner mouth, which reduces the heat load of the burner. On the other hand, this can lead to an undesirable reduction in flame stability. This is detected by the Pulsationsmessstelle. When the pulsation signal X _pulse increases, the centrally injected mass flow can be reduced to increase the combustion stability and counteract the increase of the combustion pressure fluctuations. In this way, the central injection can be regulated as a function of measured relevant data.

Es versteht sich von selbst, dass die angegebenen Betriebsverfahren auch Teil wesentlich komplexerer, übergeordneter Steuerungskonzepte darstellen und in diese integriert sein können.It goes without saying that the operating methods specified can also be part of much more complex, superordinate control concepts and can be integrated in them.

Es ist weiterhin auch denkbar, nur einzelne Brenner eines Mehrbrennersystems mit der erfindungsgemässen Zentralluftversorgung zu versehen, oder die Brenner mit unterschiedlichen Zentralluftströmen zu betreiben. Dadurch kann gezielt eine Symmetriebrechung in Mehrbrennersysternen erreicht werden, was zur Verminderung oder vollständigen Vermeidung insbesondere azimutaler akustischer Schwingungen nutzbar ist.It is also conceivable to provide only individual burners of a multi-burner system with the inventive central air supply, or to operate the burners with different central air flows. As a result, symmetry breaking in multi-burner systems can be achieved in a targeted manner, which can be used for reducing or completely avoiding, in particular, azimuthal acoustic oscillations.

Die oben gemachten Ausführungen dienen dem Fachmann als illustrative Beispiele für die Vielzahl von möglicher Ausführungsformen des erfindungsgemässen und in den Ansprüchen gekennzeichneten Betriebsweisen von Vormischbrennern.The statements made above serve as illustrative examples for the person skilled in the art for the multiplicity of possible embodiments of the modes of premix burners according to the invention and characterized in the claims.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Brennerburner

22

Massenstrom-MessstelleMass flow measurement point

33

Steuereinheitcontrol unit

44

Gehäusecasing

55

Brennerhaubeburner hood

1010

Verdichtercompressor

1111

verstellbare Vorleitreiheadjustable leader row

2020

Gasturbinen-BrennkammerA gas turbine combustor

3030

Turbineturbine

4040

Generatorgenerator

5050

Brennraumcombustion chamber

5555

Plenumplenum

6060

Luftkammerair chamber

6161

Luftbypassair bypass

6262

Zentralluft-SteuerorganCentral air-control member

6363

Überströmraumoverflow chamber

6464

Drosselklappethrottle

100100

Drallerzeugerswirl generator

100a100a

Längsachse des Drallerzeugers, BrennersLongitudinal axis of the swirl generator, burner

102, 102, 103, 104102, 102, 103, 104

Drallerzeuger-TeilkörperSwirl generator partial body

101a, 102a, 103a, 104a101a, 102a, 103a, 104a

Achsen der Drallerzeuger-TeilkörperAxes of the swirl generator part body

105105

Drallerzeuger-InnenkörperSwirler inner body

108108

Frontplatte, FrontsegmentFront panel, front segment

109109

PrallkühlblechImpingement plate

111111

Brennstoffleitungfuel line

112112

Eindüsungsvorrichtunginjection device

113113

zentrale Brennstoffdüsecentral fuel nozzle

121121

tangentiale Einlassschlitzetangential inlet slots

122122

Innenraum des DrallerzeugersInterior of the swirl generator

123123

Rückströmzonebackflow

141141

VerbrennungsluftstromCombustion air flow

142142

Brennstoffmengeamount of fuel

144144

Drallströmungswirl flow

145145

axiale Zentralströmungaxial central flow

146146

zentral einzudüsende Brennstoffmengecentrally einzudüsende amount of fuel

147147

zentral eingedüster BrennstoffCentrally doused fuel

148148

Kühlluftcooling air

149149

PrallkühlluftImpingement cooling air

150150

Luftmenge, WandfilmAmount of air, wall film

200200

Mischstreckemixing section

210210

Halteringretaining ring

220220

ÜbergangselementTransition element

221221

ÜbergangskanäleTransition ducts

230230

Mischrohrmixing tube

231231

WandfilmbohrungenWall film holes

232232

Abrisskantetear-off edge

10511051

Kammerchamber

10811081

FilmkühlöffnungenFilm cooling holes

11111111

Austrittsbohrungoutlet bore

11211121

DurchströmkörperDurchströmkörper

11221122

Zentralkörpercentral body

11231123

Konuscone

11241124

Bodenground

11251125

Öffnungopening

11261126

AussenkörperOutside body

11271127

äussere Steuerbohrungouter control bore

11281128

innere Steuerbohrunginner control bore

11291129

Zentralluft-ZuführleitungCentral air supply

11311131

Brennstoffzuleitungfuel supply line

XX

Messgrössemeasured variable

YY

Stellgrössemanipulated variable

Claims (17)

1. Method for operating a burner, which burner has: a swirl generator (100) for the tangential introduction of a combustion-air stream (141) into an interior (122) of the swirl generator, and means for introducing at least one fuel (142) into the combustion-air stream, and which burner has, at a downstream end, a jump-like cross-sectional widening of an axial burner throughflow cross section towards a combustion space (50), and which burner has, furthermore, an injection device (112) for introducing an axial central flow (145) along a central burner axis (100a), the said injection device (112) being operatively connected to adjustable elements (62, 64, 1122, 1126) for varying a throughflow cross section and controlling the mass flow of the central flow, characterized in that, in the case of a first burner load which is lower than a second burner load, the axial central flow was throttled to a greater extent than in the case of the second burner load, whilst, in the case of the second burner load which is higher than the first burner load, the axial central flow is not throttled or is throttled to a lesser extent than in the case of the first burner load.
2. Method according to Claim 1, characterized in that the burner load is determined via a fuel-quantity measurement signal (X_ṁ).
3. Method according to Claim 1, the burner being operated in a combustion chamber (20) of a gas turbine plant, characterized in that the burner load is determined as a function of a generator power and/or of a fuel quantity of the gas turbine plant, at the position of the upstream guide-vane cascade of a compressor belonging to the gas turbine plant and at ambient conditions.
4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of burners are operated in a multi-burner system and the burners are operated with different central-air streams.
5. Burner for carrying out a method according to one of the preceding claims, which contains essentially a swirl generator (100) for the tangential introduction of a combustion-air stream (141) into an interior (122) of the swirl generator, and means for introducing at least one fuel (142) into the combustion-air stream, and which burner has, at a downstream end, a jump-like cross-sectional widening of an axial burner throughflow cross section towards a combustion space (50), and which burner has, furthermore, an injection device (112) for introducing an axial central flow (145) along a central burner axis (100a), the injection device (112) being operatively connected to adjustable elements (62, 64, 1122, 1126) for varying a throughflow cross section and for controlling the mass flow of the central flow, and the injection device (112) being connected to a central-air supply line (1129), and the adjustable element (62, 64) being arranged so as to be operatively connected to one end, facing away from the injection device, on the central-air supply line (1129), characterized in that, at the end facing away from the injection device, the central-air supply line (1129) is connected to an air bypass (61), and in that the adjustable element (62) is arranged between the central-air supply line and the air bypass.
6. Burner according to Claim 5, characterized in that the central-air supply and the bypass are fluid-connected via an overflow space arranged between them, and in that the adjustable element is a throttle valve arranged in the overflow space.
7. Burner according to either one of Claims 5 and 6, characterized in that the axial burner throughflow cross section of the interior (122) increases at least partially in the region of the swirl generator (100).
8. Burner according to one of Claims 5 to 7, characterized in that an interior (122) of the swirl generator (100) has, in longitudinal section, at least approximately the form of a cone.
9. Burner according to either one of Claims 5 and 6, characterized in that an interior (122) of the swirl generator (100) has, in longitudinal section, at least approximately the form of a cylinder.
10. Burner according to one of Claims 5 to 9, characterized in that a displacement body (105) is arranged in the interior (122) of the swirl generator (100).
11. Burner according to Claim 10, characterized in that the displacement body (105) narrows towards the burner mouth.
12. Burner according to one of Claims 5 to 11, characterized in that a mixing stage (200) is arranged between the swirl generator (100) and the burner mouth issuing into the combustion space (50).
13. Burner according to Claim 8, the interior (122) of the swirl generator having the form of a cone widening towards the burner mouth, characterized in that the injection device (112) is arranged at an.upstream end, facing away from the burner mouth, of the swirl generator (100).
14. Burner according to either one of Claims 10 and 11, characterized in that the injection device (112) is arranged at a downstream end, facing the burner mouth, of the displacement body (105).
15. Burner according to one of Claims 5 to 14, characterized in that the swirl generator consists of a number of part-bodies (101, 102, 103, 104) which are arranged so as to be offset laterally in relation to one another and between which are formed tangential inlet slits (121) for the combustion-air stream (141).
16. Burner according to one of Claims 5 to 14, characterized in that the swirl generator is designed as a monolithic hollow body, into which are incorporated tangential inlet slits and/or rows of tangential inlet ports for the combustion-air stream.
17. Burner according to one of Claims 5 to 16 for operation in a combustion chamber of a gas turbine plant.

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