EP1279898A2 - Premix burner with high flame stability - Google Patents

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EP1279898A2
EP1279898A2 EP02405615A EP02405615A EP1279898A2 EP 1279898 A2 EP1279898 A2 EP 1279898A2 EP 02405615 A EP02405615 A EP 02405615A EP 02405615 A EP02405615 A EP 02405615A EP 1279898 A2 EP1279898 A2 EP 1279898A2
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EP
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premix burner
burner according
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mixing section
premix
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Peter Jansohn
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    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • burners designed in this way enable operation with very low pollutant emissions, they often operate dangerously close to the extinguishing limit of the flame: usual flame temperatures with the lean premixing flames of such burners are around 1700K to 1750K. Under certain operating conditions, the extinguishing limit of the flames can be reached at 1650K. This value is comparatively high. This is due to the low fuel consumption of the fuel-air mixture. This reduces the flame speed, which ultimately results in a spatially extended and therefore unstable flame front.
  • thermoacoustic vibrations frequently occur in combustion chambers of gas turbines, which can lead to undesirable effects, such as high mechanical stress, increased NO x emissions due to inhomogeneous combustion and even extinguishing the flame. Because in modern gas turbines for the purpose of achieving low NO x emissions, an increasing proportion of air through the burners themselves is conducted, the sound-absorbing effect of the cooling air flowing into the combustion chamber is reduced, which is why the problems associated with undesirable vibrations occur increasingly in such modern gas turbines.
  • the net-like structure consists of a porous body made of a foamed material integrated into the burner cavity.
  • the network-like structure is equipped with a catalytically active surface to support the combustion.
  • a network-like structure (201) is now arranged in a downstream region of the burner within the mixing section (200) of the combustion air with the fuel or fuels.
  • This network structure (201) consists of at least one wire mesh (202) spanning the flow cross section (203).
  • the wire mesh or fabrics (202) have a mesh size in a range from 250 ⁇ m to 1000 ⁇ m and a wire thickness from 100 ⁇ m to 500 ⁇ m. In order not to adversely affect the flow conditions, these parameters of the wire mesh (202) must be matched to one another in such a way that the largest possible open screen area remains, preferably in the order of magnitude of over 90%. If several wire meshes (202) spanning the flow cross section (203) are arranged, their spacing should correspond at least to the wire thickness.

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Abstract

Premixing burner comprises a twisting arrangement (100) having tangential inlets (101) for introducing a combustion air stream into the inner chamber of the twisting arrangement; and devices (104) for introducing a fuel into the combustion air stream forming a twisting flow with a mixing path (200). A net-like structure extending over the whole flow cross-section (203) is arranged within the mixing path. Preferred Features: The net-like structure is composed of layers of a wire gauze (202). The net-like structure is 250-1000 microns m wide and is 100-500 microns m thick. The net-like structure is a porous body made from a foamed ceramic material, preferably a silicon, zirconium or aluminum compound.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner für einen Wärmeerzeuger, insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbinenanlage, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a premix burner for a heat generator, in particular for use in a gas turbine system, according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Aus der EP 0 321 809, 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. Gasförmige Brennstoffe, beispielsweise Erdgas, werden entlang den tangentialen Lufteintrittsschlitzen in den Verbrennungsluftstrom eingedüst, wohingegen flüssige Brennstoffe, wie Heizöl, vozugsweise über eine zentrale Düse am Brennerkopf eingedüst werden. 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.Premix burners are known from EP 0 321 809, from WO 9317279, and from EP 0 945 677, in which a combustion air flow is introduced tangentially into a burner interior via a swirl generator and mixed with fuel. Gaseous fuels, for example natural gas, are injected into the combustion air flow along the tangential air inlet slots, whereas liquid fuels, such as heating oil, are preferably injected via a central nozzle on the burner head. At the burner outlet the resulting vortex flow bursts at a cross-sectional jump, which induces a backflow zone, which serves to stabilize a flame during operation of the burner.

Um unter den Bedingungen des Einsatzes in Gasturbinen auch bei Verwendung von Brennstoffen unterschiedlicher Provenienz und Zusammensetzung Störungen des Strömungsfeldes zu vermeiden und damit stets eine betriebssichere Flammenpositionierung zu erreichen, kann gemäss der Lehre der EP 0 780 629 stromab des Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet werden, durch welche eine verbesserte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art gewährleistet wird.In order to avoid disturbances in the flow field under the conditions of use in gas turbines, even when using fuels of different provenance and composition, and thus to always achieve reliable flame positioning, according to the teaching of EP 0 780 629, a mixing section can be arranged downstream of the swirl generator, through which an improved premixing of fuels of different types is guaranteed.

Wiewohl derartig konzipierte Brenner einen Betrieb mit sehr niedrigen Schadstoffemissionen ermöglichen, operieren sie oft gefährlich nahe an der Löschgrenze der Flamme: Übliche realisierte Flammentemperaturen mit den mageren Vormischflammen derartiger Brenner liegen um 1700K bis 1750K. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann die Löschgrenze der Flammen schon bei 1650K erreicht sein. Dieser Wert ist vergleichsweise hoch. Dies liegt in der Brennstoffarmut des Brennstoff-Luft-Gemisches begründet. Diese reduziert die Flammengeschwindigkeit, was letztlich in einer räumlich ausgedehnteren und daher instabileren Flammenfront resultiert.Although burners designed in this way enable operation with very low pollutant emissions, they often operate dangerously close to the extinguishing limit of the flame: usual flame temperatures with the lean premixing flames of such burners are around 1700K to 1750K. Under certain operating conditions, the extinguishing limit of the flames can be reached at 1650K. This value is comparatively high. This is due to the low fuel consumption of the fuel-air mixture. This reduces the flame speed, which ultimately results in a spatially extended and therefore unstable flame front.

Eine stärkere Anfettung des Gemisches würde jedoch die Schadstoffemissionen nach oben treiben und den Einsatz magerer Vormischbrenner ad absurdum führen.A stronger enrichment of the mixture would, however, drive up the pollutant emissions and lead the use of lean premix burners to absurdity.

Des weiteren ist es bekannt, dass in Brennkammern von Gasturbinen häufig thermoakustische Schwingungen auftreten, die zu unerwünschten Effekten, wie etwa zu einer hohen mechanischen Beanspruchung, erhöhten NOx-Emissionen durch eine inhomogene Verbrennung und sogar zum Verlöschen der Flamme führen können. Da bei modernen Gasturbinen zum Zwecke der Erzielung niedriger NOx-Emissionen ein zunehmender Anteil Luft durch die Brenner selbst geleitet wird, reduziert sich die schalldämpfende Wirkung der in die Brennkammer einströmenden Kühlluft, weshalb gerade in solchen modernen Gasturbinen die mit unerwünschten Schwingungen verbundenen Probleme verstärkt auftreten.Furthermore, it is known that thermoacoustic vibrations frequently occur in combustion chambers of gas turbines, which can lead to undesirable effects, such as high mechanical stress, increased NO x emissions due to inhomogeneous combustion and even extinguishing the flame. Because in modern gas turbines for the purpose of achieving low NO x emissions, an increasing proportion of air through the burners themselves is conducted, the sound-absorbing effect of the cooling air flowing into the combustion chamber is reduced, which is why the problems associated with undesirable vibrations occur increasingly in such modern gas turbines.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stabilität der mageren Vormischverbrennung moderner Brenner der eingangs genannten Art, wie sie insbesondere in den Brennkammern von Gasturbinen eingesetzt werden, zu verbessern. Dabei ist eine essentielle Anhebung der Verbrennungstemperatur zu vermeiden, um weiterhin einen schadstoffarmen Betrieb zu gewährleisten.The object of the present invention is to improve the stability of the lean premix combustion of modern burners of the type mentioned at the outset, as are used in particular in the combustion chambers of gas turbines. An essential increase in the combustion temperature must be avoided in order to continue to ensure low-pollutant operation.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch einen Vormischbrenner der im Anspruch 1 genannten Art gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen eines solchen Brenners geben die abhängigen Ansprüche wieder.According to the invention, this object is achieved by a premix burner of the type mentioned in claim 1. Advantageous embodiments of such a burner reflect the dependent claims.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Mischstrecke eines Vormischbrenners mit einer sich zumindest annähernd vollständig über den Strömungsquerschnitt der Mischstrecke erstreckenden netzartigen Struktur auszurüsten.The basic idea of the invention is to equip a mixing section of a premix burner with a network-like structure that extends at least approximately completely over the flow cross section of the mixing section.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform besteht die netzartige Struktur aus einem Drahtgewebe oder einer Mehrzahl zueinander beabstandet angeordneter Lagen von Drahtgewebe.
Als vorteilhaft hat sich dabei die Anordnung von fünf bis 100, insbesondere zehn bis 20, zumindest annähernd senkrecht zur Brennerlängsachse ausgerichteter Drahtgewebe erwiesen.According to a preferred embodiment, the net-like structure consists of a wire mesh or a plurality of layers of wire mesh arranged at a distance from one another.
The arrangement of five to 100, in particular ten to 20, wire meshes oriented at least approximately perpendicular to the longitudinal axis of the burner has proven to be advantageous.

Nach einer alternativen Ausführungsform besteht die netzartige Struktur aus einem in den Brennerhohlraum integrierten porösen Körper aus einem geschäumten Werkstoff.According to an alternative embodiment, the net-like structure consists of a porous body made of a foamed material integrated into the burner cavity.

Das netzartige Struktur ist vorzugsweise so zu auszulegen, dass sie keinen nennenswerten Druckverlust oder lokale Wirbelbildungen verursacht, die die Strömung in der Mischstrecke nachhaltig beeinträchtigen könnten.
Dies wird bei einer auf Drahtgewebe basierenden Ausführungsform dadurch gewährleistet, dass Drahtstärke und Maschenweite in ihrer Dimensionierung so aufeinander abgestimmt werden, dass eine möglichst grosse offene Siebfläche, vorzugsweise in einer Grössenordnung von über 90%, verbleibt.The net-like structure should preferably be designed in such a way that it does not cause any appreciable pressure loss or local vortex formation, which could have a lasting effect on the flow in the mixing section.
In an embodiment based on wire mesh, this is ensured in that the wire thickness and mesh size are coordinated with one another in such a way that the largest possible open screen area remains, preferably in the order of magnitude of over 90%.

Durch eine Variation der offenen Siebfläche über den Querschnitt bietet sich die Möglichkeit, die Strömungsverhältnisse in der Mischstrecke gezielt zu beeinflussen.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, durch eine Erhöhung der offenen Siebfläche zur Randzone hin die Randströmung zu fördern.By varying the open screen area across the cross-section, it is possible to specifically influence the flow conditions in the mixing section.
In this context, it has proven to be advantageous to promote the edge flow by increasing the open screen area towards the edge zone.

Eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen die herrschenden thermischen und chemischen Beanspruchungen weisen Materialien auf der Basis metallischer oder keramischer Werkstoffe auf, wobei metallischen Werkstoffen, insbesondere aluminiumhaltigen oder -behandelten Eisen- oder Stahllegierungen, im Hinblick auf eine Reduzierung der Brennkammerschwingungen der Vorzug eingeräumt wird.Materials based on metallic or ceramic materials have sufficient resistance to the prevailing thermal and chemical stresses, preference being given to metallic materials, in particular iron or steel alloys containing or treated with aluminum, with a view to reducing combustion chamber vibrations.

In einer ergänzenden, besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist die netzartige Struktur mit einer katalytisch wirksamen Oberfläche zur Unterstützung der Verbrennung ausgerüstet.In a supplementary, particularly preferred embodiment variant, the network-like structure is equipped with a catalytically active surface to support the combustion.

Es hat sich gezeigt, dass durch eine sich über den gesamten Strömungsquerschnitt erstreckende netzartige Struktur das thermoakustische Verhalten des Brenners in positiver Weise verändert wird und in deren Folge eine Reduzierung der Schwingungsneigung des Brenners und damit eine Stabilisierung der Flamme zu verzeichnen sind. Diese positve Wirkung ist offensichtlich auf die Eigenschaft der Netzstruktur zurückzuführen, die sich in der Brennkammer ausbreitenden Schallwellen zu isolieren und zu dämpfen.
Druckwellen aus der Brennkammer in Richtung Gaseindüsung werden durch die Struktur zum Teil gedämpft und zum Teil isoliert, das heisst in einer geänderten Frequenz durchgelassen oder wieder abgestrahlt. Durch die wesentlich kürzere Lauflänge der zurück in die Brennkammer reflektierten Schallwellen wird die Anregung von Druckschwingungen in der Brennkammer zu anderen Frequenzbereichen hin verschoben und vermindert.
Material und Dimensionierung der Netzstruktur beeinflussen deren Dämpfungsund Isolationsverhalten.It has been shown that the net-like structure extending over the entire flow cross-section improves the thermoacoustic behavior of the Burner is changed in a positive manner and as a result, a reduction in the tendency of the burner to oscillate and thus a stabilization of the flame can be observed. This positive effect is obviously due to the property of the network structure to isolate and dampen the sound waves propagating in the combustion chamber.
Pressure waves from the combustion chamber in the direction of gas injection are partially damped and partially isolated by the structure, that is to say transmitted or emitted again at a changed frequency. Due to the considerably shorter run length of the sound waves reflected back into the combustion chamber, the excitation of pressure vibrations in the combustion chamber is shifted to other frequency ranges and reduced.
The material and dimensions of the network structure influence its damping and insulation behavior.

Dieser Stabilisierungseffekt der Netzstruktur wird zusätzlich verstärkt durch die oxidationsfördernde katalytische Wirksamkeit ihrer Oberfläche.This stabilizing effect of the network structure is further enhanced by the oxidation-promoting catalytic activity of its surface.

Aus den genannten Effekten resultieren Synergismen, die letztendlich die Löschgrenze zu tieferen Flammentemperaturen hin verschieben und damit bei gleicher Verbrennungstemperatur durch Vergrösserung des Abstandes zwischen Flammen- und Löschgrenzentemperatur die Flammenstabilität verbessern.The effects mentioned result in synergisms which ultimately shift the extinguishing limit to lower flame temperatures and thus improve the flame stability at the same combustion temperature by increasing the distance between the flame and extinguishing limit temperatures.

Ein weiteres hervorzuhebendes Merkmal der Erfindung liegt darin, dass bestehende Brenner mit geringem Aufwand nachrüstbar sind.Another feature of the invention to be emphasized is that existing burners can be retrofitted with little effort.

Die Erfindung ist anwendbar in Vormischbrennern, welche aus dem eingangs zitierten Stand der Technik dem Fachmann als solche wohlbekannt und geläufig sind. Die Erfindung kann ohne weiteres mit allen in den dort zitierten Schriften offenbarten und den aus diesen Schriften weitergebildeten, dem Fachmann an sich geläufigen Brennerbauarten kombiniert werden, welche in der Vielgestalt der möglichen Ausführungsformen durch die in den Unteransprüchen angegebenen Vorzugsvarianten nur unvollständig reflektiert werden.The invention can be used in premix burners which are well known and familiar to the person skilled in the art from the prior art cited at the beginning. The invention can easily be combined with all burner types disclosed in the documents cited therein and developed from these documents and which are familiar per se to the person skilled in the art and which have many different designs of the possible embodiments are only incompletely reflected by the preferred variants specified in the subclaims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung seien nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche oder einander entsprechende Elemente figurieren unter den gleichen Bezugszeichen.Further features, advantages and details of the invention are explained in more detail below in an exemplary embodiment with reference to schematic drawings. Only the elements essential to the invention are shown. The same or corresponding elements figure under the same reference numerals.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention

Figur 1 gibt in stark schematisierter Weise das Wesen der Erfindung wieder. Anfänglich ist ein Drallerzeuger (100) wirksam, bei dem es sich um einen an sich bekannten Vormischbrenner handeln kann, wie er unter anderem in den in dieser Darlegung zitierten Veröffentlichungen beschrieben ist. Diese beispielhaft zitierten Brenner beruhen allesamt auf einem gemeinsamen Prinzip. Sie weisen einen sich axial erstreckenden, wenigstens annähernd rotationssymmetrischen Hohlraum (102) auf, in den über vorzugsweise parallel zur Längsachse (106) verlaufende Einlassschlitze (101) Verbrennungsluft einströmt. Durch die tangentiale Ausrichtung dieser mehr oder weniger schlitzförmigen Einlassöffnungen (101) erhält die Verbrennungsluft eine starke tangentiale Geschwindigkeitskomponente, aus der in Wechselwirkung mit der zur Brennermündung hin gerichteten axialen Komponente eine Drallströmung (103) durch den besagten Innenraum (102) resultiert. Die Anreicherung der Verbrennungsluft mit Brennstoff erfolgt alternativ oder ergänzend über Mittel (104) am Gehäusemantel nahe den Verbrennungslufteinlassschlitzen (101) und/oder über zentrale Zuführmittel (105) in der Brennerachse (106).Figure 1 shows the essence of the invention in a highly schematic manner. Initially, a swirl generator (100) is effective, which can be a premix burner known per se, as is described, inter alia, in the publications cited in this description. These burners cited as examples are all based on a common principle. They have an axially extending, at least approximately rotationally symmetrical cavity (102) into which combustion air flows via inlet slots (101), which preferably run parallel to the longitudinal axis (106). The tangential orientation of these more or less slit-shaped inlet openings (101) gives the combustion air a strong tangential velocity component, which, in interaction with the axial component directed towards the burner mouth, results in a swirl flow (103) through said interior space (102). The combustion air is enriched with fuel alternatively or additionally via means (104) on the housing jacket near the combustion air inlet slots (101) and / or via central feed means (105) in the burner axis (106).

Ferner ist diesen Brennern gemein, dass sich der Strömungsquerschnitt in Richtung zum Brenneraustritt hin stetig erweitert, um mit dem zunehmenden Massenstrom annähernd konstante Strömungsbedingungen aufrechtzuerhalten.
Obgleich die in dieser Schrift beispielhaft genannten Brenner auf dem geschilderten einheitlichen Prinzip beruhen, soll die Erfindung nicht auf diese besondere Gattung von Drallbrennern beschränkt sein, sondern jegliche Art von Vormischbrennern umfassen, deren Flammenstabilität bei gleichbleibend niedriger Schadstoffemission erhöht werden soll.It is also common to these burners that the flow cross-section widens in the direction of the burner outlet in order to maintain approximately constant flow conditions with the increasing mass flow.
Although the burners mentioned by way of example in this document are based on the uniform principle described, the invention is not intended to be limited to this particular type of swirl burner, but rather to encompass any type of premix burner whose flame stability is to be increased while the pollutant emissions remain constant.

Erfindungsgemäss ist nun in einem stromabwärtigen Bereich des Brenners innerhalb der Mischstrecke (200) der Verbrennungsluft mit dem oder den Brennstoffen eine netzartige Struktur (201) angeordnet. Diese Netzstruktur (201) besteht aus mindestens einem den Strömungsquerschnitt (203) überspannenden Drahtgewebe (202).
Das oder die Drahtgewebe (202) weisen dabei eine Maschenweite in einem Bereich von 250 µm bis 1000 µm und eine Drahtstärke von 100 µm bis 500 µm auf. Um die Strömungsverhältnisse nicht in nachteiliger Weise zu beeinträchtigen, sind diese Parameter des Drahtgewebes (202) dabei so aufeinander abzustimmen, dass eine möglichst grosse offene Siebfläche, bevorzugt in einer Grössenordnung von über 90%, verbleibt. Bei Anordnung mehrerer den Strömungsquerschnitt (203) überspannender Drahtgewebe (202) sollte deren Abstand mindestens der Drahtstärke entsprechen.According to the invention, a network-like structure (201) is now arranged in a downstream region of the burner within the mixing section (200) of the combustion air with the fuel or fuels. This network structure (201) consists of at least one wire mesh (202) spanning the flow cross section (203).
The wire mesh or fabrics (202) have a mesh size in a range from 250 μm to 1000 μm and a wire thickness from 100 μm to 500 μm. In order not to adversely affect the flow conditions, these parameters of the wire mesh (202) must be matched to one another in such a way that the largest possible open screen area remains, preferably in the order of magnitude of over 90%. If several wire meshes (202) spanning the flow cross section (203) are arranged, their spacing should correspond at least to the wire thickness.

Wie an anderer Stelle bereits ausgeführt, übt die Netzstruktur (201) eine positive Wirkung auf das thermoakustische Verhalten des Brenners aus. Bekanntlich tritt bei Brennern der gattungsgemässen Art das nicht zu vernachlässigende Problem der Scherschichtbildung zwischen den sich in der Brennkammer befindlichen heissen Verbrennungsgasen und dem austretenden Gemisch aus Verbrennungsluft und Brennstoffen auf. Diese Scherschichten initiieren die sog. Kelvin-Helmholtz-Wellen, aus denen unter Betriebsbedingungen Reaktionsratenschwankungen und daraus resultierend thermoakustische Oszillationen von typischer Frequenz resultieren. Im Zusammenwirken mit den Eigenschwingungen des Aggregats erwachsen aus diesen thermoakustischen Oszillationen erhebliche Probleme für den Brennerbetrieb, die bis hin zum Erlöschen der mager betriebenen Flamme führen können.
Die sich in der Brennkammer (300) ausbreitenden Druckwellen treffen auf das Drahtgewebe (202) und regen es zu Schwingungen an. Dabei wird Schwingungsenergie teilweise von dem Gewebe (202) absorbiert und teilweise unter Verschiebung zu anderen Frequenzbereichen hin stromab in die Brennkammer (300) zurückgeworfen oder stromauf zur Gaseindüsung weitergeleitet.
Diese Dämpfungs- und Isolationseffekte des Gewebes (202) tragen zu einer Schwingungsstabilisierung des Verbrennungsprozesses bei.As already stated elsewhere, the network structure (201) has a positive effect on the thermoacoustic behavior of the burner. As is known, the not insignificant problem of the formation of shear layers between the hot combustion gases located in the combustion chamber and the emerging mixture of combustion air and fuels occurs in burners of the generic type. These shear layers initiate the so-called Kelvin-Helmholtz waves, from which, under operating conditions, reaction rate fluctuations and the resulting thermoacoustic oscillations of typical frequency result. In conjunction with the natural vibrations of the unit, these thermoacoustic oscillations give rise to considerable problems for burner operation, which can lead to the extinction of the lean flame.
The pressure waves propagating in the combustion chamber (300) hit the wire mesh (202) and excite it to vibrate. Vibration energy is partially absorbed by the tissue (202) and partially thrown back into the combustion chamber (300) downstream with a shift to other frequency ranges or forwarded upstream to the gas injection.
These damping and isolation effects of the fabric (202) help to stabilize the vibration of the combustion process.

Zur Unterstützung der Flammenstabilität kann nach einer ergänzenden Ausführungsvariante das Drahtgewebe (202) darüber hinaus eine den Verbrennungsvorgang fördernde katalytische Beschichtung aufweisen. Als Katalysator kommen die an sich bekannten Materialien in Frage, wie Edelmetalle (Pd, Pt, Rh usw.), Metalloxide (MnO2, NiO usw.), allein oder in Mischung mit einem Kokatalysator.To support the flame stability, the wire mesh (202) can also have a catalytic coating that promotes the combustion process. The materials known per se, such as noble metals (Pd, Pt, Rh etc.), metal oxides (MnO 2 , NiO etc.) come into consideration as the catalyst, alone or as a mixture with a cocatalyst.

Obgleich prinzipiell eine Vielzahl an sich bekannter hochtemperaturbeständiger metallischer und keramischer Werkstoffe für diesen Einsatzzweck in Frage kommen, werden metallische Werkstoffe den Anforderungen im Hinblick auf Schwingungsreduzierung und Trägereigenschaften für Katalysatoren am besten gerecht. Gute Ergebnisse wurden mit Materialien auf der Basis aluminiumhaltiger oder aluminiumbehandelter Eisen- oder Stahllegierungen erzielt. Enthalten diese Materialien einen genügend hohen Anteil an Aluminium, so bilden sich bei der Oxidation auf der Oberfläche Aluminium-Whisker aus, die eine rauhe und chemisch aktive Oberfläche entstehen lassen, welche sich sehr gut als Träger für ein katalytisch wirksames Überzugsmaterial eignet.
Nach einer günstigen Ausführungsvariante ist das Stahlgewebe mit einem porösen keramischen Material überzogen werden, welches das Katalysatormaterial enthält.Although in principle a large number of known, high-temperature-resistant metallic and ceramic materials can be used for this purpose, metallic materials best meet the requirements with regard to vibration reduction and carrier properties for catalysts. Good results have been achieved with materials based on aluminum-containing or aluminum-treated iron or steel alloys. If these materials contain a sufficiently high proportion of aluminum, aluminum whiskers form on the surface, which can give rise to a rough and chemically active surface, which is very suitable as a carrier for a catalytically active coating material.
According to a favorable embodiment, the steel mesh is covered with a porous ceramic material that contains the catalyst material.

Die Verbindung der Netzstruktur (201) mit der umgebenden Gehäusewandung (205) kann in jeder geeigneten Weise erfolgen. In Abhängigkeit von den konkreten Bedingungen des Anwendungsfalls erschliesst sich dem Fachmann eine Reihe von Möglichkeiten. Zwei günstige Ausführungsvarianten sind anhand der Ausführungsformen gemäss Fig. 2 und 3 erläutert.The network structure (201) can be connected to the surrounding housing wall (205) in any suitable manner. Depending on the specific conditions of the application, a number of possibilities open up to the person skilled in the art. Two favorable design variants are explained on the basis of the embodiments according to FIGS. 2 and 3.

Die Fig.2 und 3 zeigen die Realisierung der Erfindung anhand eines Vormischbrenners, wie er aus der EP 0 780 629 bekanntgeworden ist.
Der Brenner besteht im wesentlichen aus einem Drallerzeuger (100) für einen Verbrennungsluftstrom, welcher aus wenigstens zwei kegelförmigen Teilkörpern gebildet ist, die mit ihren Achsen gegenüber der Brennerachse (106) wie auch gegenseitig lateral versetzt angeordnet sind. Aufgrund dieses lateralen Versatzes der Teilkörper sind zwischen den Teilkörpern tangentiale Einlassschlitze (101) ausgebildet. Durch die tangentialen Einlassschlitze (101) strömt ein Verbrennungsluftstrom im wesentlichen tangential in den Innenraum (102) des Drallerzeugers (100) ein. Im Inneren des Drallerzeugers (100) bildet sich in Folge eine Drallströmung (103) aus, deren axiale Strömungskomponente zur stromabwärtigen Mündung des Drallerzeugers (100) hin weist. Die Teilkörper sind am stromabwärtigen Ende des Drallerzeugers (100) auf einem Haltering (107) befestigt. In dem Haltering (107) ist weiterhin ein Übergangselement (108) angeordnet. Dieses ist mit einer Anzahl von Übergangskanälen (109) versehen, welche die im Drallerzeuger (100) aus der einströmenden Verbrennungsluft generierte Drallströmung (103) ohne plötzliche Querschnittsänderungen in die Mischstrecke (200) überführen. Diese Mischstrecke (200) dient der Herstellung eines möglichst homogenen Gemischs aus Verbrennungsluft und Brennstoffen verschiedener Art. Die Mischstrecke (200) ermöglicht eine verlustfreie Strömungsführung, ohne dass sich eine Rückströmzone ausbilden kann. Über die Länge der Mischstrecke (200) kann auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluss genommen werden. Am stromabwärtigen Ende der Mischstrecke (200) schliesst sich die Brennkammer (300) an, wobei an der Übergangsstelle ein Querschnittssprung vorhanden ist, hinter welchem sich eine zentrale Rückströmzone (301) ausbildet, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters aufweist. Im Bereich der Rückströmzone (301) kann sich eine Flamme aus dem vorgemischten Brennstoff-/Luftgemisch stabilisieren. Aufgrund der guten Vormischung von Luft und Brennstoff kann diese Flamme mit einem recht hohen Luftüberschuss - in der Regel findet man am Brenner selbst Luftzahlen von zwei und darüber - betrieben werden. Aufgrund der 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 (301) kommt es weiterhin trotz der geringen Verbrennungstemperaturen zu einem guten Ausbrand und damit auch zu geringen Emissionen an Teil- und Unverbranntem, insbesondere an Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, aber auch an anderen unerwünschten organischen Verbindungen.2 and 3 show the implementation of the invention using a premix burner, as has become known from EP 0 780 629.
The burner essentially consists of a swirl generator (100) for a combustion air flow, which is formed from at least two conical partial bodies which are arranged with their axes offset laterally with respect to the burner axis (106) and also mutually laterally. Due to this lateral offset of the partial bodies, tangential inlet slots (101) are formed between the partial bodies. A combustion air flow flows through the tangential inlet slots (101) essentially tangentially into the interior (102) of the swirl generator (100). A swirl flow (103) forms in the interior of the swirl generator (100), the axial flow component of which points towards the downstream mouth of the swirl generator (100). The partial bodies are fastened to a holding ring (107) at the downstream end of the swirl generator (100). A transition element (108) is also arranged in the retaining ring (107). This is provided with a number of transition channels (109) which transfer the swirl flow (103) generated in the swirl generator (100) from the inflowing combustion air into the mixing section (200) without sudden changes in cross-section. This mixing section (200) is used to produce a mixture of combustion air and fuels of various types that is as homogeneous as possible. The mixing section (200) enables loss-free flow guidance without a backflow zone being able to form. The quality of the mixture for all types of fuel can be influenced over the length of the mixing section (200). The combustion chamber (300) connects to the downstream end of the mixing section (200), with a cross-sectional jump at the transition point, behind which there is a forms a central backflow zone (301) which has the properties of a flame holder. In the area of the backflow zone (301), a flame from the premixed fuel / air mixture can stabilize. Due to the good premixing of air and fuel, this flame can be operated with a fairly large excess of air - usually you can find air numbers of two and above on the burner itself. Because of the comparatively cool combustion temperatures, very low nitrogen oxide emissions can be achieved with such burners without complex exhaust gas aftertreatment. Due to the good premixing of the fuel with the combustion air and good flame stabilization through the backflow zone (301), there is still a good burnout despite the low combustion temperatures and thus also low emissions of partially and unburned materials, especially carbon monoxide and unburned hydrocarbons also on other undesirable organic compounds.

Über den Strömungsquerschnitt (203) der Mischstrecke (200) herrscht ein Geschwindigkeitsprofil mit einem ausgeprägten Maximum auf der Mittelachse (106). In Richtung auf die Randzone (204) ist ein signifikanter Rückgang der Axialgeschwindigkeit zu verzeichnen. Um die Gefahr einer Rückzündung auch für diesen Bereich (204) sicher auszuschliessen, sieht der Stand der Technik eine Anzahl von Durchtrittskanälen (210) vor, durch welche eine zusätzliche Luftmenge in die Mischstrecke (200) eingeführt wird, und zwar dergestalt, dass sie entlang der strömungsbegrenzenden Wand (205) filmbildend eine Erhöhung der axialen Strömungsgeschwindigkeit in dieser Randzone (204) induziert.
Gemäss einer ergänzenden Ausführungsform der Erfindung, dargestellt in Fig.4b, besitzt das Drahtgewebe (202) im Bereich dieser Randzone (204) eine gegenüber dem radial inneren Bereich erhöhte offene Siebfläche. Diese Massnahme fördert die Randströmung und trägt damit zu einer Stärkung der Ringstabilisation der Rückströmzone (301) und zu einer Verringerung der Gefahr einer Rückzündung bei.A velocity profile with a pronounced maximum on the central axis (106) prevails over the flow cross section (203) of the mixing section (200). In the direction of the edge zone (204), there is a significant decrease in the axial speed. In order to reliably exclude the risk of reignition also for this area (204), the prior art provides a number of passage channels (210) through which an additional amount of air is introduced into the mixing section (200) in such a way that it runs along of the flow-limiting wall (205) induces an increase in the axial flow velocity in this edge zone (204), forming a film.
According to a supplementary embodiment of the invention, shown in FIG. 4b, the wire mesh (202) in the area of this edge zone (204) has an increased open screen area compared to the radially inner area. This measure promotes the edge flow and thus contributes to strengthening the ring stabilization of the backflow zone (301) and reducing the risk of reignition.

Zum Zwecke der Befestigung der Drahtgewebe (202) ist das die Mischstrecke (200) umgebende Gehäuse (205) segmentartig aus einzelnen Rohrschüssen (206) zusammengesetzt, an deren Verbindungsstellen (207) die Drahtgewebe (202) eingebunden sind. Diese Variante, schematisch wiedergegeben in Fig.2, zeichnet sich durch einen problemlosen Austausch verbrauchter Gewebe (202) aus.
Eine alternative Ausführungsform, dargestellt in Fig.3, besteht darin, das Gehäuse (205) aus einzelnen Segmenten (206) zusammenzusetzen, wobei wenigstens ein Segment (208) in einem vorgeschalteten Arbeitsprozess mit den Drahtgeweben (202) ausgerüstet wurde.For the purpose of fastening the wire mesh (202), the housing (205) surrounding the mixing section (200) is composed of individual pipe sections (206) in segments, at whose connection points (207) the wire mesh (202) are integrated. This variant, shown schematically in FIG. 2, is characterized by a problem-free exchange of used tissue (202).
An alternative embodiment, shown in FIG. 3, consists in assembling the housing (205) from individual segments (206), at least one segment (208) being equipped with the wire mesh (202) in an upstream working process.

Die oben dargestellten Ausführungsbeispiele sind keinesfalls in einem für die Erfindung einschränkenden Sinne zu verstehen. Im Gegenteil, sind sie instruktiv und als Abriss der Mannigfaltigkeit der im Rahmen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung möglichen Ausführungsformen zu verstehen.The exemplary embodiments shown above are in no way to be understood in a sense restricting the invention. On the contrary, they are instructive and should be understood as an outline of the diversity of the embodiments possible within the scope of the invention characterized in the claims.

Die vorstehenden Ausführungen dienen dem Fachmann als illustrative Beispiele für die Vielzahl möglicher Ausführungsformen des erfindungsgemässen und in den Ansprüchen gekennzeichneten Brenners und für dessen vorteilhafte Betriebsweisen: Sie sind nicht beschränkend zu verstehen.The above statements serve the person skilled in the art as illustrative examples of the large number of possible embodiments of the burner according to the invention and characterized in the claims and of its advantageous modes of operation: they are not to be understood as limiting.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Drallerzeugerswirl generator
101101
tangentiale Einlassschlitzetangential inlet slots
102102
Innenraum des DrallerzeugersInterior of the swirl generator
103103
Drallströmungswirl flow
104104
Mittel zur BrennstoffeindüsungFuel injection means
105105
zentrale Brennstoffdüsecentral fuel nozzle
106106
BrennerlängsachseBrenner axis
107107
Halteringretaining ring
108108
ÜbergangselementTransition element
109109
ÜbergangskanäleTransition ducts
200200
Mischstreckemixing section
201201
netzartige Strukturnet-like structure
202202
Drahtgewebewire cloth
203203
StrömungsquerschnittFlow area
204204
Randzoneborder zone
205205
Mischstrecke (200) umgebendes GehäuseMixing section (200) surrounding housing
206206
Gehäuseschuss, -segmentHousing shot, segment
207207
Verbindungsstelle zwischen den GehäuseschüssenConnection point between the housing sections
208208
mit netzartiger Struktur (201) ausgerüstetes Gehäusesegmenthousing segment equipped with a net-like structure (201)
209209
Austrittsgeometrie der Mischstrecke (200)Outlet geometry of the mixing section (200)
210210
DurchtrittskanälePassageways
300300
Brennkammercombustion chamber
301301
Rückströmzonebackflow
302302
Brennkammerwandcombustion chamber wall

Claims (20)

Vormischbrenner mit hoher Flammenstabilität zum Einsatz in einem Wärmeerzeuger, vorzugsweise einer Gasturbine, im wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (100) mit Mitteln (101) zum tangentialen Einbringen eines Verbrennungsluftstroms in einen Innenraum (102) des Drallerzeugers (100) sowie Mitteln (104) zum Einbringen wenigstens eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom unter Ausbildung einer Drallströmung mit einer axialen Bewegungskomponente hin zur Brennermündung und einer stromab des Drallerzeugers (100) positionierten Mischstrecke (200) zum Vormischen der Verbrennungsluft mit dem mindestens einen Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Mischstrecke (200) eine sich zumindest annähernd über den gesamten Strömungsquerschnitt (203) erstreckende netzartige Struktur (201) angeordnet ist.Premix burner with high flame stability for use in a heat generator, preferably a gas turbine, consisting essentially of a swirl generator (100) with means (101) for tangentially introducing a combustion air stream into an interior (102) of the swirl generator (100) and means (104) for Introducing at least one fuel into the combustion air flow to form a swirl flow with an axial movement component towards the burner mouth and a mixing section (200) positioned downstream of the swirl generator (100) for premixing the combustion air with the at least one fuel, characterized in that within the mixing section (200 ) a network-like structure (201) extending at least approximately over the entire flow cross-section (203) is arranged. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die netzartige Struktur (201) aus einem oder einer Mehrzahl voneinander beabstandet angeordneten Lagen einzelner Drahtgewebe (202) zusammengesetzt ist.Premix burner according to claim 1, characterized in that the net-like structure (201) is composed of one or a plurality of spaced apart layers of individual wire mesh (202). Vormischbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die netzartige Struktur (201) eine Maschenweite von 250 µm bis 1000 µm und eine Drahtstärke von 100 µm bis 500 µm aufweist.Premix burner according to claim 1 or 2, characterized in that the net-like structure (201) has a mesh size of 250 µm to 1000 µm and a wire thickness of 100 µm to 500 µm. Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die netzartige Struktur (201) aus fünf bis 100, vorzugsweise 10 bis 20, voneinander beabstandeten und zumindest annähernd senkrecht zur Brennerlängsachse (106) ausgerichteten Drahtgeweben (202) besteht.Premix burner according to claim 2, characterized in that the net-like structure (201) consists of five to 100, preferably 10 to 20, spaced apart and at least approximately perpendicular to the burner longitudinal axis (106) oriented wire mesh (202). Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die netzartige Struktur (201) ein poröser Körper aus einem geschäumten Metall- oder aus einem geschäumten Keramikwerkstoff ist.Premix burner according to claim 1, characterized in that the mesh-like structure (201) is a porous body made of a foamed metal or a foamed ceramic material. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die netzartige Struktur (201) nahe der Austrittsgeometrie (209) der Mischstrekke (200) angeordnet ist.Premix burner according to claim 1, characterized in that the network-like structure (201) is arranged near the outlet geometry (209) of the mixing section (200). Vormischbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Drahtgewebe (202) im wesentlichen parallel und gleichmässig beabstandet angeordnet sind.Premix burner according to claim 2, characterized in that the individual wire cloths (202) are arranged essentially parallel and evenly spaced. Vormischbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand zwischen den einzelnen Drahtgeweben (202) mindestens der Drahtstärke entspricht.Premix burner according to claim 7, characterized in that the axial distance between the individual wire meshes (202) corresponds at least to the wire thickness. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die netzartige Struktur (201) auf einem hochtemperaturbeständigen metallischen Werkstoff basiert.Premix burner according to claim 1, characterized in that the net-like structure (201) is based on a high-temperature-resistant metallic material. Vormischbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die netzartige Struktur (201) auf einer Stahllegierung basiert.Premix burner according to claim 9, characterized in that the net-like structure (201) is based on a steel alloy. Vormischbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die netzartige Struktur (201) aus einer alumiumhaltigen Stahllegierung besteht.Premix burner according to claim 10, characterized in that the net-like structure (201) consists of an aluminum-containing steel alloy. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die netzartige Struktur (201) auf einem keramischen Werkstoff basiert.Premix burner according to claim 1, characterized in that the net-like structure (201) is based on a ceramic material. Vormischbrenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die netzartige Struktur (201) auf einer Silizium-, Zirkonium- oder Aluminiumverbindung basiert.Premix burner according to claim 12, characterized in that the mesh-like structure (201) is based on a silicon, zirconium or aluminum compound. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Drahtgewebe (202) der netzartigen Struktur (201) eine katalytisch wirksame Oberfläche aufweist.Premix burner according to claim 1, characterized in that at least one wire mesh (202) of the net-like structure (201) has a catalytically active surface. Vormischbrenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtgewebe aus einer Stahllegierung besteht und eine mit einem katalytischen Material ausgerüstete poröse keramische Beschichtung aufweist.Premix burner according to claim 14, characterized in that the wire mesh consists of a steel alloy and has a porous ceramic coating equipped with a catalytic material. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Mischstrecke (200) umschliessende Gehäuse (205) aus einzelnen Schüssen (206) zusammengesetzt ist und eine oder mehrere Lagen Drahtgewebe (202) der Netzstruktur (201) formschlüssig oder kraftschlüssig in die Verbindungsstellen (207) zwischen den einzelnen Schüssen (206) eingebunden sind.Premix burner according to claim 1, characterized in that the housing (205) surrounding the mixing section (200) is composed of individual wefts (206) and one or more layers of wire mesh (202) of the network structure (201) are positively or non-positively in the connection points (207 ) are integrated between the individual shots (206). Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzstruktur (201) in einen austauschbaren Schuss (208) des die Mischstrecke (200) umschliessenden Gehäuses (205) integriert ist.Premix burner according to claim 1, characterized in that the network structure (201) is integrated in an exchangeable shot (208) of the housing (205) surrounding the mixing section (200). Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Siebfläche der netzartigen Struktur (201) über den Strömungsquerschnitt (203) der Mischstrecke (200) radial von innen nach aussen zunimmt.Premix burner according to claim 1, characterized in that the open sieve area of the net-like structure (201) increases radially from the inside to the outside over the flow cross section (203) of the mixing section (200). Vormischbrenner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die netzartige Struktur (201) einen ringförmigen Randbereich (204) mit einer gegenüber dem Innenbereich grösseren offenen Siebfläche aufweist.Premix burner according to Claim 18, characterized in that the net-like structure (201) has an annular edge region (204) with an open sieve surface which is larger than the inner region. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zum Betrieb in einer Brennkammer einer Gasturbinenanlage.Premix burner according to one of claims 1 to 19 for operation in a combustion chamber of a gas turbine system.
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