DE10160907A1

DE10160907A1 - Verfahren zur Verhinderung von Strömungsinstabilitäten in einem Brenner

Info

Publication number: DE10160907A1
Application number: DE2001160907
Authority: DE
Inventors: Ephraim Gutmark; Christian Oliver Paschereit; David Payne
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2003-08-14

Abstract

Bei einem Brenner, welcher im wesentlichen einen Drallerzeuger (1) für einen Verbrennungsluftstrom (5) umfasst, einen Drallraum (2) sowie Mittel (9, 10, 17) zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom (5), wird eine Betriebsweise bei starker Reduktion von thermoakustischen Schwingungen dadurch erreicht, dass der Brennstoff derart in den Verbrennungsstrom (5) eingebracht wird, dass die Geschwindigkeit des Brennstoffs der Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms angepasst ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Betrieb von Brennern, welche Brenner im wesentlichen einen Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom umfassen, einen Drallraum, sowie Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom. Ausserdem bezieht sich die Erfindung auf einen Brenner zur Durchführung des Verfahrens.

STAND DER TECHNIK

Bei modernen Brennern, insbesondere bei Brennern wie sie in Gasturbinen eingesetzt werden, wird es zunehmend wichtiger, die Verbrennung sowohl möglichst effizient, als auch möglichst frei von Schadstoffen zu halten. Schadstoffgrenzwerte werden u. a. von den Behörden vorgeschrieben, und die Richtlinien betreffend CO und NOx Ausstoss werden immer strenger. Die entsprechende Optimierung der Verbrennung kann auf vielfältige Weise geschehen, so z. B. durch Beimischung von Additiven wie Wasser zum Brennstoff, durch Einsatz von Katalysatoren, oder auch durch die Sicherstellung von für die Verbrennung idealen Brennstoff-Luft-Gemischen. Optimale Brennstoff-Luft- Verhältnisse können dadurch erzeugt werden, dass Brennstoff und Verbrennungsluft vorgemischt werden (sog. Vormischbrenner) oder indem Brennstoff und Verbrennungsluft zusammen auf spezielle Weise vermischt in den Verbrennungsraum eingedüst werden.

Aus der EP-B1-0 321 809 ist ein Brenner, ein sogenannter Doppelkegelbrenner für flüssige und gasförmige Brennstoffe ohne Vormischstrecke bekannt geworden, bei welchem von aussen zugeführte Verbrennungsluft durch wenigstens zwei Eintrittsschlitze tangential zwischen verschoben angeordnete, hohle Halbkonusse eintritt und dort in Richtung der Brennkammer strömt, und bei welchem entweder auf der der Brennkammer abgewandten, verjüngten Seite der Halbkonusse der flüssige Brennstoff zentral, oder in der Region der Eintrittsschlitze eingedüst wird. Der Brennstoff wird so gewissermassen von der Verbrennungsluft erfasst und "eingehüllt", so dass sich zwischen den Halbkonussen ein kegeliges Flüssigbrennstoffprofil ausbildet, welches sich in Richtung der Brennkammer ausweitet und dort verbrennt. Insbesondere gasförmiger Brennstoff wird aus Brennstoffzufuhrrohren, die den Lufteintrittsschlitzen entlang verlaufen, durch Bohrungsreihen quer in die eintretende Luft eingedüst.

Die WO 93/17279 beschreibt ebenfalls einen Brenner mit einem Drallkörper, bei welchem aber die Drallerzeuger-Teilkörper zylindrisch ausgebildet sind, und die Vorwärtsströmung des Verbrennungsluftstroms im Brenner dadurch sichergestellt wird, dass im Drallraum ein konisch zulaufender Innenkörper angeordnet ist (sogenannter umgekehrter der Doppelkegelbrenner). Der Brennstoff kann dabei entweder an der Spitze dieses konisch zulaufenden Innenkörpers erfolgen (z. B. Piloteindüsung), oder aber auch entlang der Eintrittsschlitze zwischen den Teilkörpern oder entlang des konisch zulaufenden Innenkörpers.

Aus der EP-A2-0 704 657 ist ein weiterer Brenner für flüssige und gasförmige Brennstoffe ohne Vormischstrecke bekannt geworden, welcher anströmungsseitig aus einem Drallerzeuger besteht, welcher nahtlos in eine bevorzugt zylindrisch ausgebildete Mischstrecke übergeht. Dabei wird ausserdem eine besondere Übergangsgeometrie vorgeschlagen, welche die Strömung, die im Drallkörper erzeugt wird, in den anschliessenden effektiven Durchflussquerschnitt das Mischrohres überführt, und welche in Kombination mit dem Mischrohr ein perfektes Vormischen von Brennstoffen verschiedener Art gestattet.

Die strömungsmechanische Stabilität eines Gasturbinenbrenners beispielsweise der obengenannten Art ist von entscheidender Bedeutung für das Auftreten thermoakustischer Schwingungen. Strömungsmechanische Instabilitätswellen, die am Brenner entstehen, führen zur Ausbildung von Wirbeln (kohärente Strukturen), die die Verbrennung beeinflussen und zu periodischer Wärmefreisetzung mit den damit verbundenen Druckschwankungen führen können. Problematisch bei solchen Brennern, und allgemein bei Brennern, bei welchen ein Verbrennungsluftstrom auf ähnliche Weise in eine Brennkammer strömt, sind unter anderem die Strömung des Brennstoff-Luft- Gemisches entlang der Verschalungselemente des Brenners, sowie der Austritt der Verbrennungsluft in die Brennkammer. So ist sowohl das Entlangstreichen der Verbrennungsluft im Brenner an den Wänden der Halbkonusse meist infolge der Strömungs- und Druckverhältnisse sowie der Geometrie der Verschalung nicht mehr laminar sondern turbulent. Ausserdem bildet sich in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft hinter der Vorderkante der Halbkonusse sofort eine Scherschicht. Diese Scherschicht liegt zwischen den sich in der Brennkammer befindenden, im wesentlichen stationären und heissen Verbrennungsgasen, und dem austretenden, strömenden Gemisch von Brennstoff und Verbrennungsluft. Es liegt in der Natur von solchen Scherschichten, dass sich diese, unabhängig von der Reynoldszahl, irgendwann Aufrollen und Verwirbelungen resultieren. Weitere Ursache für thermoakustische Schwingungen können ausserdem auch inhomogene Mischungsverhältnisse über die Fläche eines Brenners sein. Es zeigt sich, dass diese Instabilitäten in Grenzschichten und deren Ankopplung an die Instabilitäten auf Scherschichten in Kombination mit dem ablaufenden Verbrennungsprozess sowie inhomogene Mischungsverhältnisse verantwortlich sind für von Reaktionsratenschwankungen ausgelösten, thermoakustische Oszillationen (vgl. z. B. Paschereit et al., 1998, "Structure and control of thermoacoustic instabilities in a gasturbine burner", Combustion, Science & Technology, Vol. 138, 213-232). Diese weitgehend kohärenten Wellen führen bei einem Brenner der obengenannten Art bei typischen Betriebsbedingungen zu Schwingungen mit Frequenzen von etwa 100 Hz. Da diese Frequenz mit typischen fundamentalen Eigenmoden von vielen Ringbrennern von Gasturbinen zusammenfallen, stellen die thermoakustischen Oszillationen ein Problem dar.

Des weiteren sind Mischungsbruchschwankungen eine mögliche Ursache von Verbrennungsinstabilitäten. Diese können entweder durch Geschwindigkeitsschwankungen der Brennerluft oder durch Schwankungen des Brennstoffmassenstroms hervorgerufen werden.

Thermoakustische Schwingungen stellen eine Gefahr für jede Art von Verbrennungsanwendungen dar. Sie führen zu Druckschwingungen hoher Amplitude, zu einer Einschränkung des Betriebsbereiches und können die Schadstoffemissionen erhöhen. Dies trifft insbesondere für Verbrennungssysteme mit geringer akustische Dämpfung zu. Um in Bezug auf Pulsationen und Emissionen eine hohe Leistungskonversion über einen weiten Betriebsbereich zu ermöglichen, kann eine aktive Kontrolle der Verbrennungsschwingungen notwendig sein.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Hier greift die Erfindung ein. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, stellt sich mit anderen Worten zur Aufgabe, ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners, welcher Brenner im wesentlichen einen Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom umfasst, einen Drallraum, sowie Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom, zur Verfügung zu stellen, bei welchem thermoakustische Oszillationen reduziert werden.

Gelöst wird dieser Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruches, das heisst indem zur Verhinderung von thermoakustischen Schwingungen der Brennstoff derart in den Verbrennungsstrom eingebracht wird, dass die Geschwindigkeit des Brennstoffs der Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms angepasst ist.

Bei vorgemischten, drallstabilisierten Brennern hat die Lage und Art der Brennstoffeindüsung einen entscheidenden Einfluss auf die Mischungsqualität und damit auf Lage und Form der sich einstellenden Flamme. Es stellt sich dabei heraus, dass in diesem Zusammenhang ein wichtiger Parameter durch das Impulsverhältnis von Brennstoff/Luft gegeben ist. Der Kern der Erfindung besteht somit darin, das Impulsverhältnis Brennstoff/Luft anzupassen, und dadurch thermoakustischer Schwingungen zu reduzieren oder sogar beinahe zu verhindern. Dies kann für ein gegebenes Mischungsverhältnis von Brennstoff zu Luft (λ, Mass für das stöchiometrische Verhältnis beim Verbrennungsprozess) eben dadurch geschehen, dass die Geschwindigkeit des geändert wird. Eine Änderung der Austrittsgeschwindigkeit des Brennstoffes bewirkt zum einen eine Änderung des Mischungsprofils Brennstoff/Luft, womit man thermoakustische Schwingungen beeinflussen kann. Ein weiterer Einflussfaktor hierbei ist die Beeinflussung des Zeitverzugs τ, der massgeblich die thermoakustische Stabilität des Systems beeinflusst. Der Zeitverzug τ bestimmt die Zeit, die Mischungsbruchschwankungen brauchen, um in die Flamme konvertiert zu werden. Die Änderung des Austrittsquerschnittes bewirkt zum anderen eine Änderung der Machzahl des Brennstoffstrahls. Insbesondere eine Erhöhung isoliert die Brennstoffeindüsung akustisch. Dadurch werden Schwankungen des Brennstoffmassenstroms durch Druckpulsationen vermieden.

Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird entsprechend diese Anpassung bewirkt, indem die Geschwindigkeit des Brennstoffs erhöht wird.

Als besonders vorteilhaft erweist sich das erfindungsgemässe Verfahren, wenn es sich beim Drallerzeuger um einen Drallerzeuger handelt, welcher Eintrittsschlitze für den tangential in den Drallraum eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist. Bei den Mitteln zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom handelt es sich dabei bevorzugt um im wesentlichen auf der Achse des Brenners angeordnete Pilotdüsen und/oder um entlang der Eintrittsschlitze angeordnete Brennstoffdüsen.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geschieht die Anpassung der Geschwindigkeit des Brennstoffs an die Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms bei gleichbleibendem Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brennstoff, indem die Lochgrösse der Düsen angepasst wird, oder indem die Anzahl der mit Brennstoff versorgten Düsen angepasst wird, oder indem der Brennstoff mit einem inerten Gas vermischt wird, oder durch eine Kombination der genannten Massnahmen. Bei einem gängigen Brenner genügt es häufig, z. B. die Lochgrösse der Pilotgaseindüsung zu halbieren, oder die Anzahl der Pilotgaslöcher um beispielsweise 50 Prozent zu reduzieren. Ein gleicher Effekt wird erzielt, wenn der Impuls durch Mischung des Brennstoffes mit einem inerten Gas erfolgt. Vorteilhafterweise findet nämlich das erfindungsgemässe Verfahren im sogenannten pilotierten Betrieb Anwendung, d. h. bei im wesentlichen ausschliesslicher Ansteuerung der Pilotdüsen.

Gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich beim Brenner um einen Doppelkegelbrenner ohne Vormischstrecke, bei welchem sich im Innenraum des Brenners eine in Strömungsrichtung ausbreitende, die Wände des Innenraumes nicht benetzende kegelförmige Flüssigbrennstoffsäule ausbildet, welche von einem tangential in den Brenner einströmenden rotierenden Verbrennungsluftstrom umschlossen wird, wobei die Zündung des Gemisches am Ausgang des Brenners stattfindet, und im Bereich der Brennermündung durch eine Rückströmzone die Flamme stabilisiert wird. Mit anderen Worten kann das beschriebene Verfahren bei einem Brenner, wie er z. B. in der EP 0 321 809 beschrieben ist, Anwendung finden.

Ausserdem kann stromab des Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet sein, welche insbesondere als rohrförmiges Mischelement ausgebildet ist, und welche ggf. stromab des Drallerzeugers innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle zur Überführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in den stromab der Übergangskanäle nachgeschalteten Durchflussquerschnitt der Mischstrecke aufweist. Mit anderen Worten kann das beschriebene Verfahren bei einem Brenner, wie er z. B. in der EP 0 704 657 beschrieben ist, Anwendung finden.

Ebenfalls kann das Verfahren bei einem umgekehrten Doppelkegelbrenner ohne Vormischstrecke angewendet werden, bei welchem im Drallraum ein in Strömungsrichtung konisch zulaufender Innenkörper angeordnet ist, und wie z. B. in der WO 93/17279 beschrieben.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Brenner zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass die Geschwindigkeit der Eindüsung des Brennstoffs in den Verbrennungsluftstrom für ein gegebenes Verhältnis von Luft zu Brennstoff der Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms angepasst ist, oder dass die Geschwindigkeit der Eindüsung des Brennstoffs für ein gegebenes Verhältnis von Luft zu Brennstoff der Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms angepasst werden kann. Es kann sich dabei bevorzugt um einen Brenner bestehend aus wenigstens zwei hohlen, sich zu einem Drallkörper ergänzenden Drallerzeuger-Teilkörpern mit tangentialen Lufteintrittsschlitzen, wobei die Mittelachsen der hohlen Teilkörper eine in Strömungsrichtung sich erweiternde Kegelneigung aufweisen und in Längsrichtung zueinander versetzt verlaufen, wobei im von den Teilkörpern gebildeten kegelförmigen Innenraum am Brennerkopf eine Pilotdüse angeordnet ist, und wobei insbesondere weiterhin bevorzugt stromab des Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet sein kann.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Brenners sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Doppelkegelbrenners in einem Längsschnitt (a) und in einer Ansicht von vorne (b);
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Doppelkegelbrenners mit nachgeschalteter Mischstrecke in einem Längsschnitt;
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines umgekehrten Doppelkegelbrenners in einem Längsschnitt; und
Fig. 4 zeigt die Schwingungsamplitude als Funktion des Luft/Brennstoff-Verhältnisses für nicht-angepasste und für angepasste Einspritzung des Brennstoffs.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1a) zeigt eine schematische Darstellung eines Doppelkegelbrenners, wie er beispielsweise im sogenannten EV-Brenner der Anmelderin realisiert ist und wie er z. B. in der EP 0321809 B1 beschrieben wird, in einem Längsschnitt. Der Doppelkegelbrenner weist zwei (oder auch mehr) Drallerzeuger-Teilkörper 1a und 1b auf, welche als sich in Richtung der Brennkammer 8 erweiternde Halbkonusse ausgebildet sind, und welche derart versetzt gegeneinander angeordnet sind, dass sich über die ganze Länge des Brenners erstreckende schlitzartige Eintrittsöffnungen 4 bilden. Beim Betrieb des Brenners strömt der Verbrennungsluftstrom 5 durch diese Schlitze 4 derart in den Drallraum 2 ein, dass in den Brenner eingedüster Brennstoff vom Verbrennungsluftstrom 5 unter Bildung einer Flüssigbrennstoffsäule umhüllt wird, und sich im Bereich der Brennermündung eine Rückströmzone 13 bildet, welche die Flamme stabilisiert (vgl. Fig. 1b). Der Brennstoff kann dabei entweder über Brennstoffdüsen 10, welche entlang der Eintrittsöffnungen 4 angeordnet sind, und welche über eine erste Brennstoffzuführung 7 versorgt werden, in den Verbrennungsluftstrom eingedüst werden, oder aber über eine zentrale, im wesentlichen auf der Brennerachse 3 angeordnete Brennstoffdüse 9, auch Pilotdüse genannt, in den Verbrennungsluftstrom eingedüst werden. Im sogenannten Pilotbetrieb wird dabei der Brenner im wesentlichen nur über die Pilotdüse 9, welche meist über eine separate zweite Brennstoffzuführung 6 versorgt wird, mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betrieben.
Die Pilotdüse 9 kann unterschiedlich gestaltet sein, in diesem Fall handelt es sich um eine Düse, welche eine aus einer Vielzahl von Pilotgaslöchern bestehende Brennstoffbelochung 11 aufweist. Erfindungsgemäss wird nun ein solcher Brenner derart betrieben, dass das Impulsverhältnis von Brennstoff zu Luft angepasst wird. Da diese Anpassung für ein vorgegebenes Mischungsverhältnis von Brennstoff zu Luft, meist mit Lambda bezeichnet (Verhältnis von Molen Sauerstoff zu Molen Brennstoff), geschehen soll, erfolgt die Anpassung des Impulses der Brennstoffeindüsung über eine Anpassung der Injektionsgeschwindigkeit des Brennstoffes. Dies kann geschehen, indem die Brennstoffbelochung angepasst wird. Es kann sich dabei entweder um die Brennstoffbelochung der Brennstoffdüsen 10 an den Eintrittsöffnungen handeln oder aber insbesondere um die Brennstoffbelochung 11 an der Pilotdüse 9. Insbesondere im pilotierten Betrieb beeinflussen nämlich Ungemischtheiten das Instabilitätsverhalten. Es ist dabei möglich, entweder die Lochgrösse zu verringern, oder aber die Anzahl der Pilotlöcher, welche mit Brennstoff angesteuert werden, zu reduzieren. Eine Reduktion der Anzahl der Pilotgaslöcher um 50 Prozent ergibt dabei eine Reduktion der thermoakustischen Schwingungsamplituden um mehr als 50 Prozent (vgl. Diskussion von Fig. 4). Der im wesentlichen gleiche Effekt wird erzielt, wenn die Erhöhung des Impulses für gegebenes Lambda durch Mischung des Brennstoffes mit einem inerten Gas erfolgt. Selbstverständlich ist es auch möglich, die genannten drei Massnahmen zu kombinieren.
Fig. 2 zeigt einen Doppelkegelbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke 14, wie er beispielsweise im AEV-Brenner der Anmelderin realisiert ist und wie er z. B. in der EP 0 704 657 beschrieben ist, in einem Längsschnitt. Der Brenner weist einen Doppelkegelbrenner, wie er z. B. in Fig. 1 dargestellt ist auf, welcher aber bezüglich der Brennkammerwand 12 zurückversetzt ist und brennkammerseitig eine Mischstrecke 14 mit einer im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Radialwand 15 aufweist. Nicht eingezeichnet sind die üblicherweise zusätzlich angeordneten Übergangskanäle, welche eine optimale Einleitung der Drallströmung, wie sie im Drallkörper 2 erzeugt wird, in die Mischstrecke 14 fördern. Auch bei einem derartigen Brenner lassen sich die erfindungsgemässen Prinzipien anwenden. Auch hier zeigt sich, dass besonders im pilotierten Betrieb thermoakustische Schwingungen durch entsprechende Anpassung der Brennstoffbelochung 11 (z. B. Ansteuerung von nur 50 Prozent der Pilotlöcher oder Reduktion der Durchmesser der Pilotlöcher um 50 Prozent).
Beim Drallerzeuger 1 kann es sich dabei auch ggf. um einen sogenannten umgekehrten Doppelkegelbrenner gemäss Fig. 3, und wie z. B. in der WO 93/17279 beschrieben, handeln, bei welchem die Drallerzeuger-Teilkörper 1a und 1b im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind, und bei welchem zwecks gezielter Ausströmung des drallbehafteten Verbrennungsluftstromes 5 in die Brennkammer 8 ein konisch zur Brennkammer zulaufender Innenkörper 16 angeordnet ist. Die Brennstoffversorgung kann wiederum über an den Eintrittsschlitzen 4 angeordnete über die Brennerlänge verteilte Düsen 10 erfolgen, oder aber über Düsen 17, welche entlang des Innenkörpers 16 verteilt sind. Ausserdem kann für den pilotierten Betrieb an der Spitze des Innenkörpers 16 eine Pilotdüse 9 angeordnet werden. Dieser Brenner kann ggf. über eine zusätzliche, brennkammerseitig angeordnete Mischstrecke verfügen. Auch hier zeigt es sich, dass insbesondere im pilotierten Betrieb thermoakustische Schwingungen durch Anpassung der Injektionsgeschwindigkeit des Brennstoffes an die Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms massiv reduziert werden können.
Fig. 4 zeigt eine quantitative Aufstellung der Auswirkung der Anpassung der Injektionsgeschwindigkeit an die Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstromes. Sie zeigt die Schwingungsamplitude im Bereich von 50-500 Hz als Funktion von Lambda, dem Verhältnis von Mol Sauerstoff zu Mol Brennstoff bei einem Vormischbrenner der Anmelderin wie er schematisch z. B. in Fig. 2 dargestellt ist. Lambda ist damit indirekt ein Mass für die Flammentemperatur, wobei im dargestellten Bereich gilt, dass je niedriger Lambda ist, desto höher die Flammentemperatur ist. Die Werte von λ sind dabei normiert, d. h. es gilt λ = λ_real/λ_N. Die Figur zeigt auf der einen Seite das Schwingungsverhalten bei konventioneller Brennstoffzuführung 21, und es ist klar ersichtlich, dass insbesondere in einem Bereich von λ = 1.05 bis 1.25 unangenehm hohe Schwingungsamplituden der thermoakustischen Vibration auftreten. Da, wie bereits oben erwähnt, der betrachtete Frequenzbereich von 50 bis 500 Hz mit typischen fundamentalen Eigenmoden von vielen Ringbrennern von Gasturbinen zusammenfällt, ist dies besonders problematisch.
Im Gegensatz dazu ist mit dem Bezugszeichen 21 das Schwingungsverhalten bei impulsangepasster Brennstoffzuführung dargestellt. Dabei wurde für gleichbleibende Menge an eingedüstem Brennstoff (gleiches λ) jeweils die Anzahl der Pilotlöcher um 50 Prozent reduziert. Damit resultiert eine doppelt so hohe Injektionsgeschwindigkeit des Brennstoffes, und die Geschwindigkeit des Brennstoffes ist damit in der gleichen Region wie die Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms im Bereich der Eindüsung. Es zeigt sich dabei, dass insbesondere im genannten kritischen Bereich, das heisst für Werte von Lambda zwischen 1.05 und 1.25, die Amplitude von thermoakustischen Schwingungen dramatisch reduziert werden kann. Der gleiche Effekt stellt sich ein, wenn die Lochgrösse der Pilotgaseindüsung um 50 Prozent reduziert wird. Man beobachtet im kritischsten Bereich, d. h. für den Lambda im Bereich von 1.2, eine Reduktion der Schwingungsamplitude um mehr als 50 Prozent. Es kann mit anderen Worten über einen weiten Flammentemperaturbereich die Schwingungsamplitude stark reduziert werden.
Als geeignet erweist sich für die Eindüsung des Brennstoffes eine Machzahl von m = 0.5. Geeignet sind allgemein Machzahlen im Bereich von 0.2 bis 1. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Drallerzeuger
1a Drallerzeuger-Teilkörper
1b Drallerzeuger-Teilkörper
2 Drallraum
3 Brennerachse
4 Eintrittsöffnungen
5 Verbrennungsluftstrom
6 Brennstoffzuführung für zentrale Düse
7 Brennstoffzuführung für Düsen an den Eintrittsöffnungen
8 Brennkammer
9 zentrale Brennstoffdüse
10 Brennstoffdüsen an den Eintrittsöffnungen
11 Brennstoffbelochung
12 Brennkammerwand
13 Brennstoff/Luftgemisch, Rückströmzone, Flamme
14 Mischstrecke
15 Radialwand der Mischstrecke
16 Innenkörper
17 Brennstoffdüsen am Innenkörper
18 Brennstoffzuführung für 17
20 Schwingungsverhalten bei konventioneller Brennstoffzuführung
21 Schwingungsverhalten bei impulsangepasster Brennstoffzuführung

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Brenners, welcher im wesentlichen einen Drallerzeuger (1) für einen Verbrennungsluftstrom (5) umfasst, einen Drallraum (2), sowie Mittel (9, 10, 17) zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom (5), dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung von thermoakustischen Schwingungen der Brennstoff derart in den Verbrennungsstrom (5) eingebracht wird, dass die Geschwindigkeit des Brennstoffs der Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms angepasst ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Geschwindigkeit darin besteht, die Geschwindigkeit des Brennstoffs zu erhöhen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (1) Eintrittsschlitze (4) für den tangential in den Drallraum (2) eintretenden Verbrennungsluftstrom (5) aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mitteln zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom (5) um im wesentlichen auf der Achse des Brenners angeordnete Pilotdüsen (9) und/oder um entlang der Eintrittsschlitze (4) angeordnete Brennstoffdüsen handelt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Geschwindigkeit des Brennstoffs an die Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms (5) bei gleichbleibendem Verhältnis von Verbrennungsluft zu Brennstoff geschieht, indem die Lochgrösse der Düsen angepasst wird, oder indem die Anzahl der mit Brennstoff versorgten Düsen angepasst wird, oder indem der Brennstoff mit einem inerten Gas vermischt wird, oder durch eine Kombination der genannten Massnahmen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Geschwindigkeit der Brennstoffeindüsung bei im wesentlichen ausschliesslicher Ansteuerung der Pilotdüsen (9) vorgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Brenner um einen Doppelkegelbrenner ohne Vormischstrecke handelt, bei welchem sich im Innenraum (2) des Brenners eine in Strömungsrichtung ausbreitende, die Wände des Innenraumes (2) nicht benetzende kegelförmige Flüssigbrennstoffsäule ausbildet, welche von einem tangential in den Brenner einströmenden rotierenden Verbrennungsluftstrom (5) umschlossen wird, wobei die Zündung des Gemisches am Ausgang des Brenners stattfindet, und im Bereich der Brennermündung durch eine Rückströmzone die Flamme stabilisiert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Drallerzeugers (1) eine Mischstrecke (14) angeordnet ist, welche insbesondere als rohrförmiges Mischelement ausgebildet ist, und welche ggf. stromab des Drallerzeugers (1) innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle zur Überführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in den stromab der Übergangskanäle nachgeschalteten Durchflussquerschnitt der Mischstrecke aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Brenner um einen umgekehrten Doppelkegelbrenner ohne Vormischstrecke handelt, bei welchem im Drallraum (2) ein in Strömungsrichtung konisch zulaufender Innenkörper (16) angeordnet ist.

10. Brenner zur Durchführung eines Verfahrens gemäss den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Eindüsung des Brennstoffs in den Verbrennungsluftstrom (5) für ein gegebenes Verhältnis von Luft zu Brennstoff der Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms angepasst ist, oder dass die Geschwindigkeit der Eindüsung des Brennstoffs für ein gegebenes Verhältnis von Luft zu Brennstoff der Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms angepasst werden kann.

11. Brenner nach Anspruch 10, bestehend aus wenigstens zwei hohlen, sich zu einem Körper ergänzenden Drallerzeuger-Teilkörpern (1a, 1b) mit tangentialen Lufteintrittsschlitzen (4), wobei die Mittelachsen der hohlen Teilkörper (1a, 1b) eine in Strömungsrichtung sich erweiternde Kegelneigung aufweisen und in Längsrichtung zueinander versetzt verlaufen, und wobei im von den Teilkörpern (1a, 1b) gebildeten kegelförmigen Innenraum (2) am Brennerkopf eine Pilotdüse (9) angeordnet ist, wobei insbesondere stromab des Drallerzeugers (1) eine Mischstrecke (14) angeordnet ist.