WO2009109452A1 - Brenneranordnung sowie anwendung einer solchen brenner-anordnung - Google Patents

Brenneranordnung sowie anwendung einer solchen brenner-anordnung Download PDF

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WO2009109452A1
WO2009109452A1 PCT/EP2009/051695 EP2009051695W WO2009109452A1 WO 2009109452 A1 WO2009109452 A1 WO 2009109452A1 EP 2009051695 W EP2009051695 W EP 2009051695W WO 2009109452 A1 WO2009109452 A1 WO 2009109452A1
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burner
air
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burner arrangement
flow
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PCT/EP2009/051695
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French (fr)
Inventor
Richard Carroni
Marcel Rieker
Adnan Eroglu
Heinz Schaer
Original Assignee
Alstom Technology Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/82—Preventing flashback or blowback
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Definitions

  • the present invention relates to the field of combustion technology. It relates to a burner assembly according to the preamble of claim 1.
  • AEV Advanced Environmental Vortex
  • Such a premix burner is disclosed in EP-O 704 657 A2, this document forming an integral part of this application.
  • EP-O 913 630 A1 US Pat. No. 6,045,351, WO-A1 -2006 / 048405.
  • 1 vorischbrenner 11 is equipped at the top with a swirl generator and downstream comprises a mixing tube 13, which in turn opens into a combustion chamber 14.
  • This burner arrangement 10 extends along an axis 15.
  • the air / fuel mixture 12 generated in the premix burner 11 is tangentially immersed between the partial cone shells, whereby a swirling flow is formed, which then in the subsequent mixing tube 13 its complete mixing, with the introduced fuel F learns.
  • the fuel 25 can not only be directed to the swirl generator, but as needed, a subset 25 'of the fuel F is introduced into the mixing tube 13.
  • An additional component of this burner assembly 10 is a film air ring 16 (marked in FIG. 1 by the dashed box) arranged in the mixing tube 13, the object of which is to provide the wall-like flow layers in the mixing tube energetically charged so that the fuel in or stuck to this region can not cause backfire.
  • Essential for the invention is an arranged in the mixing device film air ring for generating or reinforcing a near-wall air film, which is characterized in that it has at least one concentric to the axis annular gap for the injection of air.
  • the use of an annular gap produces a broad plane air jet, which has less penetration into the main flow than the circular air jets created by holes and more easily adapts to the walls of the mixing tube.
  • An embodiment of the invention is characterized in that a plurality of concentric annular gaps are arranged one behind the other in the direction of the axis.
  • the annular gaps are equally spaced apart in the axial direction and all have the same gap width (slot width), but this is not necessarily to be understood, because the distance between the slots need not be constant.
  • the slot widths can be made changeable to locally effect a desired film air layer.
  • the influence of the injected air on the boundary layers in the mixing device is further increased by the fact that according to another embodiment of the invention, the annular gaps are formed inclined in Strömungshchtung.
  • the film air ring is constructed of a plurality of successively arranged in the axial direction ring elements, which are held to form the annular gaps by means distributed over the circumference arranged support elements at a distance.
  • Another embodiment of the invention is characterized in that second means are provided in the annular gap or the annular gaps for producing a tangential component in the air flow emerging through the annular gaps into the mixing device, wherein the second means preferably obliquely extending grooves in the annular gaps include delimiting walls.
  • the mixing device is preferably designed as a cylindrical mixing tube and the burner arrangement comprises a premix burner, in particular in the form of a double-cone burner, wherein the mixing tube is arranged at the outlet of the premix burner.
  • a further embodiment of a premix burner provides transition channels between the swirl generator and the mixing tube which take over the transfer of a swirl flow forming in the swirl generator into the flow cross section of the mixing tube downstream of these transition channels.
  • a further embodiment of the premix burner provides to provide a cylindrical or quasi-cylindrical tube, which consists of partial shells, and in which the combustion air flow flows through tangentially arranged air inlet slots or channels in the interior.
  • the desired swirling of the combustion air stream to maximize the desired premix with at least one fuel injected at a suitable point is achieved by a conical or quasi-conically extending in the flow direction of the inner body.
  • the burner assembly according to the invention is advantageously used to operate a gas turbine plant with at least one combustion chamber.
  • the burner assembly according to the invention can be used with particular advantage in a gas turbine, in particular operated with highly reactive fuels.
  • Fig. 1 in a highly simplified representation of a known burner assembly with premix burner and subsequent mixing tube, which has a film air ring and
  • Fig. 2 shows the structure of a working with annular gaps film air ring according to a preferred embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows a preferred embodiment of the newly proposed construction of a film air ring 16 for a burner assembly 10 according to Fig. 1.
  • the new construction is intended to produce a larger and stronger film-air layer near the walls of the mixing tube 13.
  • plane rays have a smaller penetration depth than round rays - in fact plane rays in an intersecting flow tend to adhere more rapidly to the walls - the rows of holes in the mixing tube 13 known from WO-A1 -2006 / 048405 become Fig. 2 replaced by one or more annular gaps 21, which are arranged concentrically or quasi-concentrically to the axis 15.
  • Air is injected in the form of ring beams (23) into the interior of the mixing tube 13 through the annular gaps 21, the air jets 23 applying relatively easily to the wall of the mixing tube.
  • the total cross section, the number of gaps 21, the gap width and also the distance between the individual columns can easily be changed in order to change the flow rate of the injected air. Especially easy is the change of the gap width.
  • the gaps 21 can be tilted in the flow direction by a selectable angle in order to further improve the contact of the air jets 23 with the wall of the mixing tube 13.
  • annular air jets 23 a tangential component can be impressed by in the walls of the column 21 corresponding obliquely executed groove 24 (in Fig. 2, only one groove 24 is shown by way of example) are introduced.
  • gaps 21 are provided in succession at the same distance and with the same gap width.
  • the gaps 21 are formed by four ring-shaped elements 17, 18, 19 and 20 arranged axially one behind the other at a gap width.
  • the adjoining surfaces of the ring elements 17,..., 20 are preferably designed and adapted to one another such that the gaps 21 are uniform Gap width over the entire wall thickness result.
  • the individual ring elements 17, .., 20 are held by local support elements 22 at a distance, which are distributed over the circumference between adjacent ring elements.
  • other manufacturing methods are possible.
  • novel film air ring according to the invention can be used in all fuels. However, it is particularly advantageous for the more reactive fuels (eg, oil or H2-rich fuels) as incinerated in a stationary gas turbine plant.
  • the technique is not limited to AEV burners but can be used successfully in the mixers of other burners.

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Abstract

Eine Brenneranordnung (10) umfasst eine sich entlang einer Achse (15) in Strömungsrichtung erstreckende, rohrförmige, in eine Brennkammer (14) mündende Mischvorrichtung (13) zum Vermischen von Brennstoff und Luft, wobei in der Mischvorrichtung (13) erste Mittel (16) zur Verhinderung einer Rückzündung des in der Mischvorrichtung (13) befindlichen Brennstoffs vorgesehen sind, welche ersten Mittel einen konzentrisch zur Achse (15) angeordneten Film-Luftring (16) zur Erzeugung bzw. Verstärkung eines wandnahen Luftfilms umfassen. Bei einer solchen Brenneranordnung wird eine Rückzündung selbst bei hochreaktiven Brennstoffen dadurch sicher vermieden, dass der Film-Luftring (16) wenigstens einen zur Achse (15) konzentrischen Ringspalt zur Eindüsung von Luft aufweist.

Description

BRENNERANORDNUNG SOWIE ANWENDUNG EINER SOLCHEN BRENNERANORDNUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft eine Brenneranordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
In stationären Gasturbinenanlagen werden Vormischbrenner des Typs AEV ein- gesetzt (AEV = Advanced Environmental Vortex) Ein solcher Vormischbrenner geht aus EP-O 704 657 A2 hervor, wobei diese Druckschrift einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung bildet. Ebenso die seither angemeldeten weiteren Entwicklungen dieses Vormischbrenners, beispielsweise EP-O 913 630 A1 , US- 6,045,351 , WO-A1 -2006/048405. Zum besseren Verständnis wird die Beleuchtung der Situation anhand der Fig. 1 dieser Anmeldung so gehalten, dass die Bezugszeichen mitaufgeführt werden. Der gemäss Fig. 1 ersichtliche Vormischbrenner 11 ist kopfseitig mit einem Drallerzeuger bestückt und umfasst stromab ein Mischrohr 13, das seinerseits in eine Brennkammer 14 mündet. Diese Brenneranordnung 10 erstreckt sich entlang einer Achse 15. Das im Vormischbrenner 11 erzeugte Luft/Brennstoff-Gemisch 12 wird zwischen den Teilkegelschalen tangential einge- düst, womit sich eine Drallströmung bildet, welche dann im nachfolgenden Mischrohr 13 seine vollständige Durchmischung, mit dem eingebrachten Brennstoff F erfährt. Der Brennstoff 25 kann nicht nur zu dem Drallerzeuger geleitet werden, sondern nach Bedarf wird eine Teilmenge 25' des Brennstoffes F in das Mischrohr 13 eingebracht.
Eine zusätzliche Komponente dieser Brenneranordnung 10 ist ein im Mischrohr 13 angeordneter Film-Luftring 16 (in Fig. 1 durch den gestrichelten Kasten markiert), dessen Aufgabe darin besteht, die wandnahen Strömungsschichten im Mischrohr energetisch so aufzuladen, dass der in dieser Region befindliche oder dort haftende Brennstoff keine Rückzündung verursachen kann.
Wie aus der oben genannten Druckschrift (siehe die dortige Fig. 1 ) zu entnehmen ist, sind in dem bekannten Film-Luftring zwei ringförmige Reihen von Löchern in axialer Richtung hintereinander angeordnet, deren Löcher in Anzahl, Durchmesser und räumlicher Orientierung gewisse Vorgaben erfüllen. Mit diesen Lochreihen wird ein vorgegebener Luftdurchsatz erzielt, der in etwa 1 % des gesamten Luftdurchsatzes des Brenners beträgt.
Wenn andere Brennstoffe als Erdgas in einer solchen Brenneranordnung verbrannt werden, wird der Brennstoff häufig in Bereichen niedriger Strömungsgeschwindigkeit in Wandnähe des Mischrohrs 13 eingefangen. Dies verursacht dann eine Rückzündung in den Vormischbrenner 11 : « Bei trockenem Öl: Hochdruck-Verbrennungstests haben bei bestimmten
Betriebsbedingungen gezeigt, dass Öl auf die Wände des Mischrohres trifft. • Bei H2-reichen Brennstoffen: LIF-Tests und Verbrennungstests bei 1 atm haben bestätigt, dass die vergleichsweise geringe Dichte dieser Brennstoffe (insbesondere, da sie sich auf höheren Temperaturen von typischerweise 150 - 350 0C befinden) eine geringe Durchdringungstiefe und ein hohes Risiko bedeuten, dass der Brennstoff wieder an den Wänden des Mischrohres haftet.
Die Erfahrungen bei der Entwicklung von Brennern für trockenes Öl und H2-reiche Brennstoffe haben darauf hingedeutet, dass es nützlich sein könnte, die Menge der Filmluft zu erhöhen, um die wandnahen Grenzschichten energetisch weiter aufzuladen (d.h. die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten zu erhöhen) und so das Risiko einer Rückzündung zu vermeiden. Des Weiteren dadurch, dass die wandnahe Brennstoff-Konzentration minimiert wird. Dies könnte normalerweise dadurch erreicht werden, dass der Querschnitt der Löcher im Film-Luftring 16 vergrössert wird (d.h. die Löcher auf grossere Durchmesser aufgebohrt werden). Dies führt jedoch zu stärkeren Luftstrahlen, die den Hauptstrom im Mischrohr durchdringen und nicht länger einen wandnahen Film erzeugen. Dies ist aus zwei Gründen kontraproduktiv:
• Die wandnahe Grenzschicht wird nicht länger energetisch aufgeladen, so dass die daraus resultierenden geringeren lokalen Geschwindigkeiten das Auftreten von Rückzündungen fördern.
• Die stärkeren Luftstrahlen durchdringen den Hauptstrom und erzeugen starke Turbulenzen und eine Wirbelschleppe. Brennstoff, der in diesen Wirbeln eingefangen wird, hat durch die dort vorhandenen lokalen niedrigen Geschwindigkeiten eine stark verlängerte Verweilzeit im Mischrohr und kann entsprechend leicht zünden und so zu einer Rückzündung führen.
Darstellung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brenneranordnung mit Mischvorrichtung zu schaffen, welche die Nachteile bekannter Brenneranordnungen vermeidet und insbesondere auf einfache Weise Rückzündungen beim Einsatz hoch-reaktiver, vorzugsweise H2-reicher, Brennstoffe, sicher verhindert.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist ein in der Mischvorrichtung angeordneter Film- Luftring zur Erzeugung bzw. Verstärkung eines wandnahen Luftfilms, der sich dadurch auszeichnet, dass er wenigstens einen zur Achse konzentrischen Ringspalt zur Eindüsung von Luft aufweist. Durch den Einsatz eines Ringspalts wird ein brei- ter ebener Luftstrahl erzeugt, der gegenüber den durch Löcher erzeugten runden Luftstrahlen eine geringere Eindringtiefe in die Hauptströmung hat und sich leichter an die Wände des Mischrohrs anschmiegt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Achse mehrere konzentrische Ringspalte hintereinander angeordnet sind.
Hierdurch kann die Durchflussrate der eingedüsten Luft vergrössert werden, ohne dass die Eindringtiefe zunimmt. Bei einer Ausführungsvariante sind die Ringspalte in axialer Richtung untereinander gleich beabstandet und weisen alle dieselbe Spaltbreite (Schlitzbreite) auf, allerdings ist dies nicht zwingend zu verstehen, denn der Abstand zwischen den Schlitzen muss nicht konstant sein. Innerhalb eines Brenners können die Schlitzbreiten veränderbar gestaltet werden, um lokal eine gewollte Filmluftschicht zu bewerkstelligen.
Der Einfluss der eingedüsten Luft auf die Randschichten in der Mischvorrichtung wird dadurch weiter erhöht, dass gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung die Ringspalte in Strömungshchtung geneigt ausgebildet sind.
Besonders einfach ist der Aufbau, wenn der Film-Luftring aus einer Mehrzahl von in axialer Richtung hintereinander angeordneten Ringelementen aufgebaut ist, die zur Bildung der Ringspalte mittels über den Umfang verteilt angeordneten Stützelementen auf Abstand gehalten werden.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ringspalt bzw. den Ringspalten zweite Mittel zur Erzeugung einer tangentialen Komponente im durch die Ringspalte in die Mischvorrichtung austretenden Luftstrom vorgesehen sind, wobei die zweiten Mittel vorzugsweise schräg verlau- fende Nuten in den die Ringspalte begrenzenden Wänden umfassen. Hierdurch kann der eingedüsten Luft auf einfache Weise ein Drall mitgegeben werden, der sich vorteilhaft auf die Beeinflussung der Randschichten der Strömung auswirkt.
Die Mischvorrichtung ist vorzugsweise als zylindrisches Mischrohr ausgebildet und die Brenneranordnung umfasst einen Vormischbrenner, insbesondere in Form eines Doppelkegelbrenners, wobei das Mischrohr am Ausgang des Vormisch- brenners angeordnet ist.
Was die Ausgestaltung des Vormischbrenners betrifft, ist es ohne weiteres mög- lieh, auch ein solcher ohne den zwischen Drallerzeuger und Mischrohr wirkenden Übergangsabschnitt vorzusehen. Ein solcher Vormischbrenner geht aus EP-A1 -0 321 809 hervor. Entsprechend bildet der Offenbarungsgehalt aus dieser Druck- schritt, und die folgenden weiteren Entwicklungen dieser Brenner-Technologie, bezüglich der Bauweise des Drallerzeugers ausdrücklich einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung.
Eine weitere Ausgestaltung eines Vormischbrenners sieht vor, zwischen Drallerzeuger und Mischrohr Übergangskanäle vorzusehen, welche die Überführung einer im Drallerzeuger sich bildende Drallströmung in den stromab dieser Übergangskanäle nachgeschalteten Durchflussquerschnitt des Mischrohres übernehmen. Eine solche Ausgestaltung geht aus EP-O 704 657 A1 hervor, wobei die Of- fenbarung aus dieser Druckschrift ebenfalls einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung bildet.
Eine weitere Ausgestaltung des Vormischbrenners sieht vor, ein zylindrisches oder quasi-zylindrisches Rohr vorzusehen, welches aus Teilschalen besteht, und in welches der Verbrennungsluftstromes über tangential angeordnete Lufteintrittsschlitze oder Kanäle in den Innenraum strömt. Die erwünschte Drallbildung des Verbrennungsluftstromes zur Maximierung der angestrebten Vormischung mit mindestens einem an passender Stelle eingedüsten Brennstoff wird durch einen in Strömungsrichtung konisch oder quasi-konisch verlaufenden Innenkörper erreicht resp. mitbewerkstelligt. Eine solche Ausgestaltung geht beispielsweise aus EP-O 777 081 A1 hervor, wobei die Offenbarung aus dieser Druckschrift einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung bildet.
Die erfindungsgemässe Brenneranordnung wird mit Vorteil zum Betrieb einer Gas- turbinenanlage mit mindestens einer Brennkammer eingesetzt.
Die erfindungsgemässe Brenneranordnung kann mit besonderem Vorteil in einer, insbesondere mit hoch-reaktiven Brennstoffen betriebenen Gasturbine angewendet werden.
Im folgenden wird anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht wesentli- chen Merkmale sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der verschiedenen Medien ist mit Pfeilen angegeben,
Kurze Erläuterung der Figuren
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 in einer stark vereinfachten Darstellung eine bekannte Brenneranordnung mit Vormischbrenner und nachfolgendem Mischrohr, das einen Film-Luftring aufweist und
Fig. 2 den Aufbau eines mit Ringspalten arbeitenden Film-Luftrings gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des neu vorgeschlagenen Aufbaus eines Film-Luftrings 16 für eine Brenneranordnung 10 nach Fig. 1. Die neue Konstruktion soll eine grossere und stärkere Film-Luftschicht nahe den Wänden des Mischrohres 13 erzeugen. In dem Wissen, dass ebene Strahlen eine geringe- re Eindringtiefe als runde Strahlen haben - tatsächlich neigen ebene Strahlen in einer sich kreuzenden Strömung zum schnelleren Anhaften an den Wänden - werden die aus der WO-A1 -2006/048405 bekannten Löcherreihen im Mischrohr 13 gemäss Fig. 2 durch einen oder mehrere Ringspalte 21 ersetzt, welche konzentrisch oder quasi-konzentrisch zur Achse 15 angeordnet sind. Durch die Ring- spalte 21 wird Luft in Form von Ringstrahlen (23) in das Innere des Mischrohrs 13 eingedüst, wobei sich die Luftstrahlen 23 relativ leicht an die Wand des Mischrohres anlegen. Der Gesamtquerschnitt, die Anzahl der Spalte 21 , die Spaltbreite und auch der Abstand zwischen den einzelnen Spalten kann leicht verändert werden, um die Durchflussrate der eingedüsten Luft zu verändern. Besonders einfach ist dabei die Änderung der Spaltbreite. Weiterhin können die Spalte 21 in Strömungsrichtung um einen wählbaren Winkel gekippt werden, um die Anlage der Luftstrahlen 23 an die Wand des Mischrohrs 13 weiter zu verbessern.
Auch kann den ringförmigen Luftstrahlen 23 eine tangentiale Komponente (Drall) aufgeprägt werden, indem in die Wände der Spalte 21 entsprechend schräg ausgeführte Nute 24 (in Fig. 2 ist nur eine Nut 24 beispielhaft eingezeichnet) eingebracht werden.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind drei Spalte 21 hintereinander im gleichen Abstand und mit gleicher Spaltbreite vorgesehen. Die Spalte 21 werden gebildet durch vier axial hintereinander im Abstand er Spaltbreite angeordnete Ringelemente 17, 18, 19 und 20. Die aneinandergrenzenden Flächen der Ringelemente 17, ..,20 sind dabei vorzugsweise so gestaltet und aneinander angepasst, dass sich Spalte 21 mit einer gleichförmigen Spaltbreite über die gesamte Wanddicke ergeben. Die einzelnen Ringelemente 17,..,20 werden durch lokale Stützelemente 22 auf Abstand gehalten, die über den Umfang verteilt zwischen benachbarten Ringelementen angeordnet sind. Selbstverständlich sind auch andere Herstellungsverfahren möglich.
Atmosphärische Verbrennungstests mit einer solchen Brenneranordnung haben ergeben, dass mit den Ringspalten (die gegenüber den vergleichbaren Löchern 150% mehr Luft eindüsen) eine Rückzündung über einen breiten Betriebsbereich vollständig vermieden werden konnte, wie dies auch durch Hochdrucktests bestätigt worden ist.
Der neuartige Film-Luftring gemäss der Erfindung kann bei allen Brennstoffen eingesetzt werden. Er ist jedoch besonders vorteilhaft für die reaktiveren Brennstoffe (z. B. Öl oder H2-reiche Brennstoffe), wie sie in einer stationären Gasturbinenanlage verbrannt werden. Die Technik ist jedoch nicht auf AEV-Brenner beschränkt, sondern kann auch in den Mischvorrichtungen anderer Brenner mit Erfolg eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
10 Brenneranordnung
11 Vormischbrenner
12 Luft/Brennstoff-Gemisch
13 Mischrohr
14 Brennkammer
15 Achse
16 Film-Luftring
17,..,20 Ringelement
21 Ringspalt
22 Stützelement
23 Luftstrahl
24 Nut
25 Brennstoffeindüsung
25' Brennstoffeindüsung
F Brennstoff

Claims

Patentansprüche
1. Brenneranordnung (10), umfassend eine sich entlang einer Achse (15) in Strömungshchtung erstreckende, rohrförmige, in eine Brennkammer (14) mündende Mischvorrichtung (13) zum Vermischen von Brennstoff und Luft, wobei in der Mischvorrichtung (13) erste Mittel (16) zur Verhinderung einer Rückzündung des in der Mischvorrichtung (13) befindlichen Brennstoffs vorgesehen sind, welche ersten Mittel einen konzentrisch zur Achse (15) angeordneten Film-Luftring (16) zur Erzeugung bzw. Verstärkung eines wandna- hen Luftfilms umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass der Film-Luftring (16) wenigstens einen zur Achse (15) konzentrischen oder quasi konzentrischen Ringspalt (21 ) zur Eindüsung von Luft aufweist.
2. Brenneranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Rich- tung der Achse (15) mehrere konzentrische oder quasi-konzentrischen Ringspalte (21 ) hintereinander angeordnet sind.
3. Brenneranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringspalte (21 ) in axialer Richtung untereinander gleich beabstandet sind.
4. Brenneranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringspalte in axialer Richtung ungleich und/oder variabel beabstandet sind.
5. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringspalte (21 ) alle dieselbe Spaltbreite aufweisen.
6. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringspalte (21 ) unterschiedliche Spaltbreiten aufweisen.
7. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringspalte (21 ) in Strömungsrichtung geneigt ausgebildet sind.
8. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Film-Luftring (16) aus einer Mehrzahl von in axialer Richtung hintereinander angeordneten Ringelementen (17,..,2O) aufgebaut ist, die zur Bildung der Ringspalte (21 ) mittels über den Umfang verteilt angeordne- ten Stützelementen (22) auf Abstand gehalten werden.
9. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ringspalt bzw. den Ringspalten (21 ) zweite Mittel (24) zur Erzeugung einer tangentialen Komponente im durch die Ringspalte (21 ) in die Mischvorrichtung (13) austretenden Luftstrom vorgesehen sind.
10. Brenneranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel schräg verlaufende Nuten (24) in den die Ringspalte (21 ) begrenzenden Wänden umfassen.
11. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 -10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner (11 ) im wesentlichen aus einem Drallerzeuger besteht, welcher aus mindestens zwei hohlen in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelschalen besteht, dass der Querschnitt des durch die hohlen Teilkegelschalen gebildeten Innenraumes in Strömungsrichtung zunimmt, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen dieser Teilkegelschalen versetzt zueinander verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkegelschalen in deren Längserstreckung tangentiale Lufteintrittsschlitze oder Kanäle für die Ein- Strömung eines Verbrennungsluftstromes in den von den Teilkegelschalen gebildeten Innenraum bilden.
12. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 -10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger aus mindestens zwei hohlen in Strömungshch- tung ineinandergeschachtelten sich zu einem Körper ergänzenden Teilschalen besteht, dass der Querschnitt des durch die hohlen Teilschalen gebildeten Innenraumes in Strömungsrichtung zylindrisch oder quasi-zylindrisch ver- läuft, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen dieser Teilschalen versetzt zueinander verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilschalen in deren Längserstreckung tangentiale Lufteintrittsschlitze oder Kanäle für die Einströmung einer Verbrennungsluft in den von den Teilscha- len gebildeten Innenraum bilden, und dass der Innenraum einen Innenkörper aufweist, dessen Querschnitt in Strömungsrichtung kegelförmig oder quasikegelförmig abnimmt.
13. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 -12, dadurch gekennzeich- net, dass ein flüssiger Brennstoff über eine zentrale Brennstoffdüse (5) in den Innenraum und/oder ein weiterer Brennstoff F über die tangentialen Lufteintrittsschlitze des jeweiligen Drallerzeugers und/oder in das Mischrohr ein- gedüst werden.
14. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 -13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich zwischen Drallerzeuger und Mischrohr (13) Übergangskanäle zur Überführung einer im Drallerzeuger gebildeten Verbrennungsluftströmung in den stromab der Übergangskanäle nachgeschalteten Durchflussquerschnitt des Mischrohres (13) aufweist.
15. Anwendung der Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einer mit mindestens einer Brennkammer befeuerten Gasturbinenanlage.
16. Anwendung der Brennanordnung nach einem der Ansprüche 1 -15 in einer sequentiell befeuerten Gasturbinenanlage.
17. Anwendung der Brennanordnung nach einem der Ansprüche 1 -16 in einer Kombianlage.
PCT/EP2009/051695 2008-03-07 2009-02-13 Brenneranordnung sowie anwendung einer solchen brenner-anordnung WO2009109452A1 (de)

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