DE10064893A1

DE10064893A1 - Brenner mit gestufter Brennstoffeindüsung

Info

Publication number: DE10064893A1
Application number: DE2000164893
Authority: DE
Inventors: Rolf Dornberger; Christian Oliver Paschereit; Bruno Schuermans; Peter Stoll
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 2000-12-23
Filing date: 2000-12-23
Publication date: 2002-11-14
Also published as: WO2002052201A1

Abstract

Bei einem Brenner, im Wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (9) für einen Verbrennungsluftstrom (22, 23), einem Drallraum (26) und Mitteln (1-8, 11-18, 24, 25) zum Einbringen von Brennstrom in den Verbrennungsluftstrom (22, 23), wobei der Drallerzeuger (9) Eintrittsschlitze (30, 31) für den tangential in den Drallraum (26) eintretenden Verbrennungsluftstrom (22, 23) aufweist und die Mittel zum Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom wenigstens eine Brennstoffzuführung (24) mit im Wesentlichen in Richtung einer Brennerachse (28) angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) umfassen, wird die Möglichkeit zur Verminderung von Pulsationen und/oder Stickoxidemissionen beim Betrieb dadurch gegeben, dass die Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) in wenigstens drei Gruppen aufgeteilt sind, und der Brennstoffmassenstrom der Gruppen über Ventile (1-8, 11-18) unabhängig voneinander regelbar ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner im Wesentlichen bestehend aus einem Dral lerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom, einem Drallraum und Mitteln zum Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom, wobei der Drallerzeuger Eintrittsschlitze für den tangential in den Drallraum eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist und die Mittel zum Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom wenigstens eine Brennstoffzufüh rung mit im Wesentlichen in Richtung einer Brennerachse angeordneten Brennstoff- Austrittsöffnungen umfassen. Ausserdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Brenners. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet derartiger Brenner sind Brennräume von Gasturbinen sowie atmosphärische Kesselfeuerungen.

STAND DER TECHNIK

Aus der EP 0 321 809 ist ein aus mehreren Schalen bestehender kegelförmiger Brenner, ein sogenannter Doppelkegelbrenner bekannt. Durch den kegelförmigen aus mehreren Schalen zusammengesetzten Drallerzeuger wird eine Drallströmung in dem von den Teilkegelschalen eingeschlossenen Kegelinnenraum erzeugt. Aufgrund eines Querschnittssprungs an einem brennraumseitigen Ende des Brenners wird die Drallströmung instabil, und geht in eine an nulare Drallströmung mit Rückströmung im Kern über. Diese Rückströmung ermöglicht die Stabilisierung einer Flammenfront am Brenneraustritt. Die Schalen des Drallerzeugers sind derart zusammengesetzt, dass entlang der Brennerachse tangentiale Lufteintrittsschlitze für Verbrennungsluft gebildet werden. An der hierdurch gebildeten Einströmkante der Kegel schalen sind Zuführungen für einen gasförmigen Vormischbrennstoff, vorgesehen, die in Richtung der Brennerachse verteilte Austrittsöffnungen für das Vormischgas aufweisen. Das Gas wird durch die Austrittsöffnungen bzw. Bohrungen quer zum Lufteintritts spalt eingedüst. Diese Eindüsung führt in Verbindung mit dem im Drallraum erzeugten Drall der Verbrennungsluft-Brenngas-Strömung zu einer guten Durchmischung des Brenn- bzw. Vormischgases mit der Verbrennungsluft. Eine gute Durchmischung ist bei derartigen Vor mischbrennern die Voraussetzung für niedrige NO_x-Werte beim Verbrennungsvorgang.

Zur weiteren Verbesserung eines derartigen Brenners ist aus der EP 0 780 629 ein Brenner für einen Wärmeerzeuger bekannt, der im Anschluss an den Drallerzeuger eine zusätzliche Mischstrecke zur weiteren Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft aufweist. Diese Mischstrecke kann beispielsweise als nachgeschaltetes Rohr ausgeführt sein, in das die aus dem Drallerzeuger austretende Strömung ohne nennenswerte Strömungsverluste überführt wird. Durch diese zusätzliche Mischstrecke kann der Vermischungsgrad weiter erhöht und damit die Schadstoffemissionen verringert werden.

Die WO 93/17279 zeigt einen weiteren bekannten Vormisch-Brenner, bei dem ein zylindri scher Drallerzeuger mit einem zusätzlichen konischen Innenkörper eingesetzt wird. Bei die sem Brenner wird das Vormischgas ebenfalls über Zuführungen mit entsprechenden Aus trittsöffnungen in den Drallraum eingedüst, die entlang der axial verlaufenden Lufteintritts schlitze angeordnet sind. Dieser Brenner weist im konischen Innenkörper zusätzlich eine zentrale Zuführung für Brenngas auf, das nahe der Austrittsöffnung des Brenners zur Pilotie rung in den Drallraum eingedüst werden kann. Diese zusätzliche Pilotstufe dient dem Anfah ren des Brenners. Die Zuführung des Pilotgases im Austrittsbereich des Brenners führt je doch zu erhöhten NO_x-Emissionen, da in diesem Bereich nur eine unzureichende Vermi schung mit der Verbrennungsluft stattfinden kann.

Bei allen dargestellten Brennern erfolgt die Eindüsung des Vormischgases im Lufteintrittspalt durch Zuführungen mit im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse angeordneten Aus trittsöffnungen. Damit sind die Charakteristik der Eindüsung hinsichtlich Eindringtiefe und Einmischung der Gasstrahlen sowie die Brennstoffverteilung entlang der Lufteintrittsschlitze bzw. der Brennerachse vorgegeben. Die Anordnung der Austrittsöffnungen legt somit bereits die Mischgüte des Gases und der Verbrennungsluft sowie die Brennstoffverteilung am Bren neraustritt fest. Diese Grössen sind wiederum entscheidend für die NOx Emissionen, für die Lösch- und Rückschlagsgrenzen sowie für die Stabilität des Brenners im Hinblick auf Ver brennungspulsationen.

Bei unterschiedlichen Lasten, Gasqualitäten oder Gasvorwärmtemperaturen treten jedoch unterschiedliche Gasvordrücke an den Austrittsöffnungen auf, die wiederum zu unterschiedli chen Vormischbedingungen und Gemischqualitäten am Brennstoffaustritt führen. Aus den unterschiedlichen Vormischbedingungen resultieren dann unterschiedliche Emissionswerte und Stabilitätsbedingungen, die von der Last, der Gasqualität und der Gasvorwärmung ab hängig sind. Die bekannten Brenner lassen sich daher nur für ganz bestimmte Wertebereiche dieser Parameter optimal betreiben. In allen anderen Betriebsbereichen treten entweder un angenehme Stickoxidemissionen auf, und/oder es bauen sich unangenehme Pulsationen auf. Problematisch beim Betrieb von Vormischbrennern insbesondere in Gasturbinen ist u. a. der Teillastbereich, da hier der Brennluft nur vergleichsweise geringe Brennstoffmengen zuge mischt werden. Bei der vollständigen Vermischung des Brennstoffes mit der gesamten Luft aber entsteht ein Gemisch, welches gerade im unteren Teillastbereich nicht mehr zündfähig ist, oder nur noch eine sehr instabile Flamme auszubilden in der Lage ist. Dies kann zu schädlichen Verbrennungspulsationen oder zum vollständigen Erlöschen der Flamme führen.

Für eine Anpassung der bekannten Brenner auf bestimmte Emissionswerte oder auf ein be stimmtes Stabilitätsfenster in Bezug auf Pulsationen bei unterschiedlichen Lasten, Umge bungsbedingungen, Gasqualitäten und Vorwärmtemperaturen besteht zurzeit einerseits die Möglichkeit, bei Einsatz von Mehrfachbrenneranordnungen die Vormisch- bzw. Premixgas zufuhr zu einzelnen Brennergruppen zu stufen.

Dies ist jedoch nur bei mehrreihigen Brenneranordnungen möglich. Für einreihige annulare Brennkammern hat diese Technik den Nachteil, dass sich ein in Umfangsrichtung ungleich förmiges Temperaturprofil im Brennkammeraustritt einstellt.

Eine andere Möglichkeit ist, Brenner, wie oben bereits kurz angetönt, mit einer sogenannten Pilot-Brennstoffversorgung auszustatten. Die Brenner werden dann bei sehr hohen Luftzahlen als Diffusionsbrenner betrieben. Dies resultiert einerseits in einer überlegenen Flammen stabilität, andererseits aber in hohen Emissionswerten und weiteren betriebstechnischen Nachteilen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, respektive ein Verfahren zu dessen Betrieb, bei welchem sich bei unterschiedlichen Lastbedingungen, Gasqualitäten und/oder Gasvorwärmtemperaturen das Stickoxid-Emissionsverhalten und/oder das Pulsationsverhalten möglichst im Vormischbetrieb optimal einstellen lässt.

Diese Aufgabe wird bei einem Brenner der obengenannten Art dadurch gelöst, dass die Brennstoff-Austrittsöffnungen in wenigstens drei Gruppen aufgeteilt sind, und der Brennstoff massenstrom der Gruppen über Ventile unabhängig voneinander regelbar ist. Der Kern der Erfindung besteht somit darin, dass die Zusammensetzung des Brennstoff/Luft Gemisches in Verbindung mit seinem Strömungsverhalten im Brenner über die Länge der Mischstrecke des Brenners fein eingestellt werden kann, wobei sich diese Einstellbarkeit überraschend direkt und optimierbar auf sowohl das Emissionsverhalten als auch das Pulsationsverhalten aus wirkt.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist der Drallerzeuger zwei, bezüglich der Brennerachse gegenüberliegende, sich im wesentlichen über die ganze Länge des Draller zeugers erstreckende Eintrittsschlitze. Gerade bei dieser symmetrischen und besonders mischaktiven Bauweise des Brenners erweist sich die vorgeschlagene Regelbarkeit als be sonders effektiv. Dies insbesondere, aber nicht ausschliesslich dann, wenn, wie weiterhin bevorzugt, die Brennstoff-Austrittsöffnungen im Bereich der Eintrittsschlitze und im Wesentli chen entlang der Eintrittsschlitze angeordnet sind, und/oder die Brennstoff-Austrittsöffnungen im Wesentlichen über die ganze Länge der Eintrittsschlitze verteilt angeordnet sind.

Ein weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffmassenstrom aller Brennstoff-Austrittsöffnungen individuell und über separate Ventile regelbar sind. Dies erhöht zwar die konstruktiven Anforderungen an einen Brenner, in Anbetracht der heute aber immer strengeren Anforderungen in Bezug auf Emission und auch in Bezug auf schnelle Leistungsänderungen von z. B. Gasturbinenanlagen wird dieser Mehraufwand durch die feinere Einstellbarkeit und die damit verbundene Optimierbarkeit bei wei tem kompensiert.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es sich beim Brenner um einen Doppelkegelbrenner, oder auch um einen umgekehrten Doppelkegelbrenner handeln, wobei im letzteren Fall auch Brennstoff-Austrittsöffnungen entlang des Innenkörpers angeordnet sein können. Insbesondere, aber nicht ausschliesslich, bei derartigen Brennern werden an jedem Eintrittsschlitz jeweils 8 Brennstoff-Austrittsöffnungen angeordnet, welche individuell und über separate Ventile regelbar sind. Diese Anzahl von Düsen bietet sich meist infolge der Limitierung des möglichen Druckabfalls der Brennstoffzuführung an und erlaubt bereits eine für die meisten Anwendungen genügende Feineinstellung der Brennstoffzuführung zum Er reichen der erfindungsgemässen Zielsetzung. Infolge der meist vorhandenen Symmetrie von derartigen Brennern mit Drallerzeugung (n-zählige Drehachse um die Brennerachse, wobei n die Anzahl der Eintrittsschlitze darstellt) reicht es in vielen Fällen, jeweils die Düsen bei unter schiedlichen Schlitzen aber entsprechender Positionierung entlang des Brenners gleich an zusteuern. D. h. es werden symmetrisch gegenüberliegende, auf der gleichen Höhe des Brenners aber an verschiedenen Eintrittsschlitzen angeordnete Brennstoff-Austrittsöffnungen identisch regelbar ausgestaltet, insbesondere indem für ein derartiges Paar von Brennstoff- Austrittsöffnungen nur jeweils ein Ventil zur Regelung vorhanden ist, welches die gewisser massen äquivalenten Austrittsöffnungen an den verschiedenen Schlitzen steuert.

Weitere Ausführungsformen des Brenners sind in den in den abhängigen Ansprüchen be schrieben.

Die Erfindung betrifft, wie oben erwähnt, ausserdem ein Verfahren zum Betrieb eines Bren ners mit den genannten Eigenschaften. Das Verfahren zielt darauf ab, die Ventile derart an zusteuern, dass bei Betrieb Verbrennungspulsationen und/oder Stickoxidemissionen vermin dert werden. Diese Regelung der Ventile kann dabei lastabhängig geschehen. Wiederum kann es dabei in Anbetracht der Symmetrie von drallerzeugenden Brennern genügen, bei derartigen Brennern mit mehreren Eintrittsschlitzen symmetrisch gegenüberliegende, auf der gleichen Höhe des Brenners aber an verschiedenen Eintrittsschlitzen angeordnete Brenn stoff-Austrittsöffnungen identisch über die Ventile zu regeln.

Eine erste Ausführungsform der Betriebsweise des Brenners, welche insbesondere darauf abzielt, Pulsationen zu verhindern, zeichnet sich nun dadurch aus, dass bezüglich eines mittleren Brennstoffmassenstromes über alle Brennstoff-Austrittsöffnungen, die zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Öffnungen über deren Ventile mit wesentlich mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren werden, die in Richtung des Brenneraus tritts folgende Öffnung mit wesentlich weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom ge fahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die nächsten zwei in Richtung des Brenneraustritts folgenden Öffnungen mit wesentlich weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom ge fahren werden, und die in Richtung des Brenneraustritts letzten zwei Düsen im Wesentlichen mit dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren werden.

Eine weitere Ausführungsform der Betriebsweise des Brenners, welche insbesondere darauf abzielt, Stickoxid-Emissionen zu verhindern, zeichnet sich dadurch aus, dass bezüg lich eines mittleren Brennstoffmassenstromes über alle Brennstoff-Austrittsöffnungen, die zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Öffnungen über deren Ventile mit im We sentlichen dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren werden, die in Richtung des Bren neraustritts folgende Öffnung mit weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die nächste Öffnung mit weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die nächste Öffnung mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung mit mehr als dem mittleren Brennstoff massenstrom gefahren wird, die nächste Öffnung mit etwas weniger als dem mittleren Brenn stoffmassenstrom gefahren wird, und die in Richtung des Brenneraustritts letzte Düse über deren Ventil mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird.

Weitere Ausführungsformen der Betriebsweise des Brenners sind in den in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

KURZE ERLÄUTERUNG DER Fig. 1

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Drallerzeuger in einem Schnitt senkrecht zur Brennerachse;

Fig. 2 einen Doppelkegelbrenner mit individuell regelbaren Brennstoffdüsen;

Fig. 3 einen umgekehrten Doppelkegelbrenner mit individuell regelbaren Brennstoffdü sen; und

Fig. 4 Betriebsweisen eines Doppelkegelbrenners mit individuell regelbaren Brennstoff düsen und die zugehörigen Pulsations- und Emissionskenndaten.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Drallerzeuger 9 senkrecht zur Hauptachse 28. Es handelt sich um einen Drallerzeuger 9 mit zwei Eintrittsschlitzen 30 und 31, welche durch eine Versetzung der Achsen der beiden, den Drallerzeuger begrenzenden Teilkörper 20 und 21, zustande kommen. Es sei am Rande bemerkt, dass auch Drallerzeuger mit einem Ein trittschlitz oder mit mehr als zwei, d. h. z. B. drei oder vier Schlitzen existieren, und dass sich das hier geschilderte ebenso auf diese Bauweisen anwenden lässt. Die Verbrennungsluft 22, 23 strömt im Wesentlichen tangential durch die Eintrittsschlitze 30 und 31 in den von den Teilkörpern 20, 21 begrenzten Drallraum 26 ein, und bewegt sich anschliessend spiralförmig in Richtung des Brennerausgangs in die Brennkammer.

Der zuzugebende Brennstoff kann nun auf unterschiedliche Weise dem Verbrennungsluft strom 22, 23 zugemischt werden. Im hier gegebenen Ausführungsbeispiel befinden sich un mittelbar bei den Luftschlitzen 30,31 und an den jeweils aussenliegenden Teilkörpern 20,21 befestigt Brennstoffzuführungen 24. Es können dabei mehrere derartige Brennstoffzuführun gen parallel zueinander vorhanden sein, wie dies anhand der optionalen Zuführung 25 ange deutet sein soll. Der Brennstoff, flüssig oder gasförmig, strömt aus der Zuführungsleitung 24, 25 durch eine Brennstoff-Austrittsöffnung 32 (Düse) in den Verbrennungsluftstrom 22, 23, wird von diesem erfasst und in den Drallraum 26 hineintransportiert. Im Drallraum findet die gute Vermischung von Brennstoff und Luft statt, und das resultierende Gemisch wird in der obengenannten spiralförmigen Bewegung zum Brennraum transportiert, wo es an einer Flammfront entzündet. Gemäss dem Stand der Technik umfasst die Brennstoffzuführung 24, 25 jeweils eine entlang der Schlitze 30,31 verlaufende Leitung, welche die Bohrungen 32 aufweist, und welche als gesamtes, d. h. gleichzeitig für alle Bohrungen einer derartigen Lei tung mit Brennstoff gespeist wird. Mit anderen Worten können auch die Düsen einer Zufüh rung 24, 25 nicht individuell dosiert resp. geregelt werden.

Fig. 2 zeigt einen Doppelkegelbrenner mit individuell regelbaren Brennstoff- Austrittsöffnungen 32. Der Drallraum 26 wird bei einem derartigen Brenner, wie bereits weiter oben beschrieben, von zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörpern 20, 21, wel che in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen, gebildet. Die Teilke gelkörper 20,21 sind zueinander versetzt angeordnet, so dass die Verbrennungsluft 22, 23 durch zwei Eintrittschlitze 30, 31 zwischen den Teilkegelkörpern 20, 21 in den Drallraum 26 strömt. Bei den Schlitzen 30, 31 wird normalerweise der Brennstoff in den Verbrennungsluft strom eingedüst, mit diesem im Drallraum 26 gemischt, anschliessend als Brennstoff-Luft- Gemisch 29 in den Brennraum 19 transportiert und dort an einer Flammfront entzündet. Der Doppelkegelbrenner weist hier an jedem Luftschlitz jeweils acht Brennstoff-Austrittsöffnungen auf, welche individuell über Leitungen mit Brennstoff versorgt werden. Jede dieser Leitungen weist jeweils ein Ventil 1-8 resp. 11-18 auf, welches unabhängig von den anderen geregelt werden kann. In Anbetracht der Symmetrie des Brenners kann es aber zur konstruktiven Vereinfachung auch genügen, die Brennstoffzuführungen jeweils gegenüberliegender Düsen gemeinsam zu regeln, d. h. die Ventile 1 und 11 werden zusammengefasst, die Ventile 2 und 12, und so weiter.

Fig. 3 zeigt eine andere Bauart eines drallerzeugenden Brenners, eines umgekehrten Dop pelkegelbrenners. Wie bereits oben beschrieben, wird der Drallerzeuger 9 hier aus minde stens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilzylinderkörpern 20, 21 gebildet, welche zu einander versetzt angeordnet sind. Die Verbrennungsluft 22, 23 strömt entsprechend durch zwei Eintrittsschlitze 30, 31 zwischen den Teilzylinderkörpern 20, 21 in den Drallraum 26. Ein kreiskegelförmiger, in Austrittsrichtung des Brenners zusammenlaufender Innenkörper 27 ist im Drallraum 26 angeordnet, um den spiralförmigen Transport des Brennstoff/Luft-Gemisches in die Brennkammer 19 zu steuern. Wie beim Doppelkegelbrenner aus Fig. 2 wird der Brennstoff über individuell mittels Ventilen 1-8 resp. 11-18 regelbare Öffnungen 32 im Bereich der Eintrittsschlitze 30, 31 in den Verbrennungsluftstrom eingedüst. Der Brennstoff kann auch, wie bereits oben angetönt, aus dem Innenkörper 27 heraus in den Verbrennungsluftstrom eingedüst werden, wie in Fig. 3 gepunktet angetönt. Wiederum kann es in Anbetracht der Symmetrie des Brenners zur konstruktiven Vereinfachung auch genügen, die Brennstoffzu führungen jeweils gegenüberliegender Düsen gemeinsam zu regeln, d. h. die Ventile 1 und 11 zusammenzufassen, die Ventile 2 und 12, und so weiter.

Fig. 4 zeigt eine Aufstellung verschiedener Steuerungsweisen der zweimal acht an einem Doppelkegelbrenner gem. Fig. 2 angeordneten Düsen, wobei jeweils gegenüberliegende Düsen zusammengefasst sind und nicht unabhängig voneinander variiert wurden. In einem Versuch wurden die 8 Düsen nun um einen Mittelwert 41 des Brennstoff-Massenflusses von ca. M = 4 kg/h je Düse unabhängig und von Experiment zu Experiment zufällig variiert (bei konstantem totalem Brennstoffmassenfluss über alle 16 Düsen) und die jeweils resultieren den Werte der Pulsationen (root-mean-square-Werte in mbar) sowie die der Stickstoffemis sionen (NO_x in ppm bei 15% O₂) für eine bestimmte Ansteuerung der Düsen 1 bis 8 gemes sen. Die resultierenden Wertepaare wurden als Kreuze in einer zweidimensionalen Graphik aufgetragen, in welcher die Pulsationen auf der Abszisse und die Emissionen auf der Ordi nate aufgetragen sind. Aus der Graphik wird klar ersichtlich, dass die individuelle Ansteue rung der Düsen tatsächlich eine Veränderung der Charakteristik in Bezug auf Pulsationen und Emissionen erlaubt.

Position 40 zeigt das Wertepaar für eine gleichmässige, d. h. über alle Düsen identische Ein düsung des Brennstoffs an. Im Vergleich mit den anderen möglichen Werten ist ersichtlich, dass sich diese Einstellung in Bezug auf die Emissionen bereits ziemlich nahe bei einer opti malen Einstellung befindet, während die Pulsationen durch eine individuelle Regelung we sentlich verbessert werden können, dies aber auch unter Verschlechterung des Emissions verhaltens. Allgemein lässt sich sagen, dass sich die beiden Kenngrössen Pulsationen und Emissionen offenbar nicht gleichzeitig optimieren lassen. Dennoch ist es möglich, für jeden gegebenen Pulsationswert eine in Bezug auf Emission optimale Ansteuerung zu ermitteln und umgekehrt. Die in Bezug auf diese beiden Grössen optimalen Ansteuerungsverfahren verhalten sich qualitativ hyperbolisch in der Graphik, und zur Visualisierung sind 8 Betriebs weisen mit Kästchen 1 bis 8 herausgegriffen.

Steuerungsverfahren 1 (ganz oben) ist in Bezug auf Pulsationen optimal, in Bezug auf Emis sionen aber vergleichbar schlechter als die gleichverteilte Einspritzung, und zeigt folgendes Muster: Die zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Düsen 1 und 2 werden (Ven tile 1, 2; 11, 12) mit wesentlich mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41 gefahren, Düse 3 (Ventil 3; 13) mit wesentlich weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41, Düse 4 (Ventil 4; 14) mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41, die nächsten zwei in Richtung des Brenneraustritts folgenden Düsen 5 und 6 (Ventile 5, 6; 15, 16) mit we sentlich weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41, und die in Richtung des Brenneraustritts letzten zwei Düsen 7 und 8 (Ventile 7, 8; 17, 18) im Wesentlichen mit dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41. Dies ist ein Muster, das sich global auch für die zu geringeren Emssionswerten verschobenen Kästchen 2 bis 4 wiederholt und damit ein für niedrige Pulsa tionen bei Drallbrennern optimales Verhalten zu sein scheint.

Quantitativ ausgedrückt lässt sich die in Bezug auf Pulsationen optimale Lösung wie folgt charakterisieren (alles bezogen auf 100% = mittlerer Brennstoffmassenfluss 41 pro Düse):
Düsen 1, 2: im Bereich von 130-160%, insbesondere von 150%;
Düse 3: im Bereich von 66-80%, insbesondere von 75%;
Düse 4: im Bereich von 115-130%, insbesondere von 125%;
Düsen 5, 6: im Bereich von 40-60%, insbesondere von 50%; und
Düse 7, 8: im Bereich von 90 bis 110%, insbesondere von 100%.

Steuerungsverfahren 8 (ganz unten) ist in Bezug auf Emissionen optimal, in Bezug auf Pulsationen sogar auch leicht besser als die gleichverteilte Einspritzung, und zeigt folgendes Muster: Die zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Düsen 1 und 2 (Ventile 1, 2; 11, 12) werden mit im Wesentlichen dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41 gefahren, die in Richtung des Brenneraustritts folgende Düsen 3 (Ventil 3; 13) mit weniger als dem mitt leren Brennstoffmassenstrom 41, die nächste Düse 4 (Ventil 4; 14) mit weniger als dem mittle ren Brennstoffmassenstrom 41, die nächste Düse 5 (Ventil 5; 15) mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41, die nächste Düse (Ventil 6; 16) mit mehr als dem mittleren Brenn stoffmassenstrom 41, die nächste Düse (Ventil 7; 17) mit etwas weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41, und die in Richtung des Brenneraustritts letzte Düse 8 (Ventil 8; 18) mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41. Dieses Muster ist nicht so aus geprägt, und das nächst beste Steuerungsverfahren 7 für etwas niedrigere Pulsationen bei etwas erhöhten Emissionen ist bereits von Steuerungsverfahren 8 nicht unwesentlich ver schieden. Als gemeinsamer, qualitativer Trend verbleibt, dass offenbar eine leichte Stufung, d. h. weniger Brennstoffmassenfluss in den ersten vier Düsen 1-4 und eher höherer Fluss in den brennerausgangsnahen Düsen 5-8 sich auf die Emissionen vorteilhaft auswirkt.

Quantitativ ausgedrückt lässt sich die in Bezug auf Emissionen optimale Lösung wie folgt charakterisieren (alles bezogen auf 100% = mittlerer Brennstoffmassenfluss 41 pro Düse):
Düsen 1, 2: im Bereich von 90-110%, insbesondere von 100%;
Düse 3: im Bereich von 60-100%, insbesondere von 75%;
Düse 4: im Bereich von 60-100%, insbesondere von 85%;
Düse 5: im Bereich von 110-150%, insbesondere von 120%;
Düse 6: im Bereich von 100-130%, insbesondere von 110%;
Düse 7: im Bereich von 80-110%, insbesondere von 90%; und
Düse 8: im Bereich von 100-140%, insbesondere von 120%.

BEZUGSZEICHENLISTE

1-8

Ventile der Brennstoffdüsen am ersten Spalt

9

Drallerzeuger

11-18

Ventile der Brennstoffdüsen am zweiten Spalt

19

Brennkammer

20

erster Teilkörper von

19

21

zweiter Teilkörper von

19

22

Verbrennungsluft am ersten Spalt

23

Verbrennungsluft am zweiten Spalt

24

erste Brennstoffzuführung

25

zweite Brennstoffzuführung

26

Drallraum

27

Innenkörper

28

Brennerachse

29

Brennstoff/Luft-Gemisch

30

erster Luftschlitz

31

zweiter Luftschlitz

32

Brennstoff-Austrittsöffnungen

Claims

1. Brenner, im Wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (9) für einen Verbren nungsluftstrom (22, 23), einem Drallraum (26) und Mitteln (1-8, 11-18, 24, 25) zum Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom (22, 23), wobei der Drallerzeuger (9) Eintritts schlitze (30, 31) für den tangential in den Drallraum (26) eintretenden Verbrennungsluftstrom (22, 23) aufweist und die Mittel zum Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom wenigstens eine Brennstoffzuführung (24) mit im Wesentlichen in Richtung einer Brennerach se (28) angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) in wenigstens drei Gruppen aufgeteilt sind, und der Brennstoffmassenstrom der Gruppen über Ventile (1-8, 11-18) unabhängig voneinander re gelbar ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (9) zwei, bezüglich der Brennerachse (28) gegenüberliegende, sich im wesentlichen über die ganze Länge des Drallerzeugers (9) erstreckende Eintrittsschlitze (30, 31) aufweist.

3. Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) im Bereich der Eintrittsschlitze (30, 31) und im Wesentli chen entlang der Eintrittsschlitze (30, 31) angeordnet sind.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff- Austrittsöffnungen (32) im Wesentlichen über die ganze Länge der Eintrittsschlitze (30, 31) verteilt angeordnet sind.

5. Brenner nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffmassenstrom aller Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) individuell und über separate Ventile (1-8, 11-18) regelbar sind.

6. Brenner nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Doppelkegelbrenner handelt, bei welchem der Drallerzeuger (9) aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörpern (20, 21), welche in Strömungsrich tung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen, und welche Teilkegelkörper (20, 21) zuein ander versetzt angeordnet sind, so dass die Verbrennungsluft (22, 23) durch zwei Eintrittschlitze (30, 31) zwischen den Teilkegelkörpern (20, 21) in den Drallraum (26) strömt, gebildet wird.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen umgekehrten Doppelkegelbrenner handelt, bei welchem der Drallerzeuger (9) aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilzylinderkörpern (20, 21), welche zu einander versetzt angeordnet sind, so dass die Verbrennungsluft (22, 23) durch zwei Eintritts schlitze (30, 31) zwischen den Teilzylinderkörpern (20, 21) in den Drallraum (26) strömt, gebil det wird, wobei zusätzlich im Drallraum (26) ein kreiskegelförmiger, in Austrittsrichtung des Brenners zusammenlaufender Innenkörper (27) angeordnet ist.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff- Austrittsöffnungen (32) entlang des Innenkörpers (27) angeordnet sind.

9. Brenner nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Eintrittsschlitz (30, 31) jeweils 8 Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) angeordnet sind, welche individuell und über separate Ventile (1-8, 11-18) regelbar sind.

10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass symmetrisch gegenüber liegende, auf der gleichen Höhe des Brenners aber an verschiedenen Eintrittsschlitzen (30, 31) angeordnete Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) identisch regelbar sind, insbesondere indem für ein derartiges Paar von Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) nur jeweils ein Ventil (1/11, 2/12, 3/13, 4/14, 5115, 6/16, 7/17, 8/18) zur Regelung vorhanden ist.

11. Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (1-8, 11-18) derart gesteuert werden, dass bei Betrieb Ver brennungspulsationen und/oder Stickoxidemissionen vermindert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Ven tile (1-8, 11-18) lastabhängig geschieht.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Brenner mit mehreren Eintrittsschlitzen (30, 31) symmetrisch gegenüberliegende, auf der gleichen Höhe des Brenners aber an verschiedenen Eintrittsschlitzen (30, 31) angeordnete Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) identisch über die Ventile (1-8, 11-18) geregelt wer den.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass bei ei nem Brenner nach Anspruch 10 bei Betrieb Pulsationen verhindert werden, indem bezüglich eines mittleren Brennstoffmassenstromes (41) über alle Brennstoff-Austrittsöffnungen (32), die zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Öffnungen (32) über deren Ventile (1, 2; 11, 12) mit wesentlich mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren werden, die in Richtung des Brenneraustritts folgende Öffnung (32) über deren Ventil (3; 13) mit we sentlich weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil (4; 14) mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die nächsten zwei in Richtung des Brenneraustritts folgenden Öffnungen (32) über deren Ventile (5, 6; 15, 16) mit wesentlich weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren werden, und die in Richtung des Brenneraustritts letzten zwei Öffnungen (32) über deren Ventile (7, 8; 17, 18) im Wesentlichen mit dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass indem bezüglich eines mittleren, als 100% bezeichneten Brennstoffmassenstromes (41) über alle Brennstoff- Austrittsöffnungen (32), die zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Öffnungen (32) über deren Ventile (1, 2; 11, 12) mit im Wesentlichen 150% des mittleren Brennstoff massenstroms gefahren werden, die in Richtung des Brenneraustritts folgende Öffnung (32) über deren Ventil (3; 13) mit im Wesentlichen 75% des mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil (4; 14) mit im Wesentlichen 125% des mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wird, die nächsten zwei in Richtung des Brenneraustritts folgenden Öffnungen (32) über deren Ventile (5, 6; 15, 16) mit im Wesentlichen 50% des mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wer den, und die in Richtung des Brenneraustritts letzten zwei Öffnungen (32) über deren Ventile (7, 8; 17, 18) mit im Wesentlichen 100% des mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wer den.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass bei ei nem Brenner nach Anspruch 10 bei Betrieb Stickoxidemissionen verhindert werden, indem bezüglich eines mittleren Brennstoffmassenstromes (41) über alle Brennstoff- Austrittsöffnungen (32), die zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Öffnungen (32) über deren Ventile (1, 2; 11, 12) mit im Wesentlichen dem mittleren Brennstoffmassen strom gefahren werden, die in Richtung des Brenneraustritts folgende Öffnung (32) über de ren Ventil (3; 13) mit weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil (4; 14) mit weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil (5; 15) mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassen strom gefahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil (6; 16) mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die in Rich tung des Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil (7; 17) mit etwas weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, und die in Richtung des Brenneraus tritts letzte Öffnung (32) über deren Ventil (8; 18) mit mehr als dem mittleren Brennstoff massenstrom gefahren wird.

17. Verfahren nach Ansprüche 16, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich eines mitt leren, als 100% bezeichneten Brennstoffmassenstromes (41) über alle Brennstoff- Austrittsöffnungen (32), die zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Öffnungen (32) über deren Ventile (1, 2; 11, 12) mit im Wesentlichen 100% des mittleren Brennstoff massenstroms gefahren werden, die in Richtung des Brenneraustritts folgende Öffnung (32) über deren Ventil (3; 13) mit im Wesentlichen 75% des mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil (4; 14) mit im Wesentlichen 85% des mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil (5; 15) mit im Wesentli chen 120% des mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wird, die in Richtung des Bren neraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil (6; 16) mit im Wesentlichen 110% des mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts näch ste Öffnung (32) über deren Ventil (7; 17) im Wesentlichen mit 90% des mittleren Brennstoff massenstroms gefahren wird, und die in Richtung des Brenneraustritts letzte Öffnung (32) über deren Ventil (8; 18) mit im Wesentlichen 120% des mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wird.