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Die Erfindung betrifft einen Brenner für eine Verbrennungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb.
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Auf möglichst niedrige Emissionen ausgelegte Gasturbinen-Verbrennungssysteme sind anfällig für thermoakustische Instabilitäten im mittleren Frequenzbereich (ca. 100–350 Hz). Diese Instabilitäten haben negative Auswirkungen sowohl auf die Lebensdauer der Verbrennungssysteme als auch auf Emissionswerte. Verbrennungsinstabilitäten können durch zeitlich/räumlich verteilte Brennstoffeindüsung verringert werden. Dies kann beispielsweise bei einem Strahlbrenner mit in Vormischpassagen hineinragenden Brennstofflanzen dadurch erreicht werden, dass Brennstofföffnungen in den Brennstofflanzen an axial unterschiedlichen Positionen angeordnet sind, so dass Schwingungen der Brennstoff/Luft-Mischungen über die Länge der Vormischpassagen verschmieren.
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Allerdings besteht hier insbesondere an axial stromaufliegenden Positionen, die konstruktionsbedingt nicht im Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeiten liegen, welcher in die Vormischpassage hineinreicht, sondern in einem den Vormischpassagen vorgelagerten Plenum liegt, die Gefahr eines Flashbacks bzw. der Selbstzündung, d.h. Verbrennung findet nicht nur in der Brennkammer, sondern auch in vorgelagerten Bereichen statt. In solchen Fällen ist ein Teil des Brennstoffs aus den stromaufliegenden Brennstofföffnungen in Strömungstotgebiete diffundiert, beispielsweise in am Brenner angeordnete Resonatoren, anstatt mit der Verdichterendluft in Richtung der Vormischpassagen zu strömen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner bereitzustellen, der eine verbesserte Stabilität hinsichtlich thermoakustischer Instabilitäten aufweist und Flashbacks bzw. Selbstzündung vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbrennungsmaschine mit einem solchen Brenner bereitzustellen. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb eines solchen Brenners anzugeben.
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Die Erfindung löst die auf einen Brenner gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einem derartigen Brenner für eine Verbrennungsmaschine, umfassend mindestens eine Vormischpassage mit einem Lufteinlass und eine am Lufteinlass in die Vormischpassage hineinragende Brennstofflanze mit mindestens einer ersten Brennstofföffnung auf Höhe einer ersten axialen Position der Brennstofflanze und mindestens einer zweiten Brennstofföffnung an einer zweiten axialen Position der Brennstofflanze stromauf der ersten axialen Position, eine die Brennstofflanze umgebende Hülse auf Höhe der zweiten axialen Position vorgesehen ist.
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Mit der um die Brennstofflanze auf Höhe der zweiten Brennstofföffnungen angeordneten Hülse wird vermieden, dass Brennstoff aus eben diesen zweiten Brennstofföffnungen in beliebige Richtungen im Plenum strömt. Innerhalb der Vormischpassage wird der Luftstrom beschleunigt und der statische Druck nimmt ab, so dass ein Sog entsteht, der auch auf die Luft in der Hülse wirkt und so zusammen mit Luft auch den Brennstoff in Richtung der Vormischpassage zieht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Brennstofföffnung innerhalb der Vormischpassage angeordnet. Auf diese Weise wird Brennstoff aus der ersten Brennstofföffnung sicher durch die Vormischpassage in Richtung Brennkammer geleitet.
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Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn die erste Brennstofföffnung unmittelbar in der Brennstofflanze angeordnet ist, weil eine solche Ausführungsform konstruktiv vergleichsweise einfach und auch im Hinblick auf thermische Dehnungen im Betrieb unproblematisch ist.
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Es kann aber auch zweckmäßig sein, wenn sich auf Höhe der ersten axialen Position Drallschaufeln radial zwischen der Brennstofflanze und der Vormischpassage erstrecken, wobei die Drallschaufeln radiale Passagen aufweisen, die strömungstechnisch mit der Brennstofflanze verbunden sind und wobei die erste Brennstofföffnung in einer Drallschaufel angeordnet ist. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass über die gesamte radiale Erstreckung der Vormischpassage gleichmäßig verteilt über mehrere Brennstofföffnungen Brennstoff in den Luftstrom eingedüst werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Brennstofföffnung außerhalb der Vormischpassage angeordnet. Fertigungs- und konstruktionsbedingt ist die Anordnung beider Brennstofföffnungen in der Vormischpassage problematisch. Auch verkürzt sich die Mischstrecke für Brennstoff aus der ersten Brennstofföffnung, wenn die Brennstofflanze tiefer in die Vormischpassage hineinragt und gleichzeitig die Länge der Vormischpassage beibehalten wird. Eine Verkürzung der Mischstrecke bedeutet aber eine schlechtere Durchmischung von Brennstoff und Luft und somit höhere Emissionen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Hülse sich von einem Bereich stromauf der zweiten Brennstofföffnung stromab in Richtung der ersten Brennstofföffnung bis in die Vormischpassage hinein erstreckt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Brennstoff aus der zweiten Brennstofföffnung tatsächlich vollständig in die Vormischpassage strömt. Außerdem lässt sich über die Länge der Hülse die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Hülse und somit die Zeitverzögerung zwischen den beiden Eindüsepositionen einstellen.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn auf einer axialen Position zwischen der ersten und der zweiten Brennstofföffnung mindestens ein Wirbelerzeuger auf der Brennstofflanze angeordnet ist. Durch die Anordnung von Wirbelerzeugern auf der Lanze werden Brennstoff und Luft noch besser durchmischt, so dass auch die Verbrennung vollständig erfolgen kann. Für Wirbelerzeuger kommen verschiedenste Formen in Frage. Im Wesentlichen werden Wirbel dadurch erzeugt, dass sich dem Luftstrom, der an der Oberfläche der Brennstofflanze entlang strömt, ein „Hindernis“ in den Weg stellt, das aus der Ebene der Brennerlanzenoberfläche herausragt.
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Dabei ist es bereits aus konstruktiven Überlegungen zweckmäßig, wenn der Wirbelerzeuger stromab der Hülse auf der Brennstofflanze angeordnet ist, weil Durchmesser der Hülse bzw. Größe der Wirbelerzeuger nicht zwingend zueinander passen.
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Es kann aber auch vorteilhaft sein, Hülse und Wirbelerzeuger so dicht beieinander anzuordnen, dass die Hülse am Wirbelerzeuger befestigt werden kann.
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In einer alternativen Ausführungsform mit Drallschaufeln kann die Hülse auch vorteilhafterweise an den Drallschaufeln befestigt sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst ein Düsenhalter mehrere Vormischpassagen, wobei den Lufteinlässen der Vormischpassagen ein Plenum zur Umlenkung von Luft unmittelbar vorgelagert ist und Hülsen im Wesentlichen im Plenum angeordnet sind. Der Einsatz mehrerer Vormischpassagen ermöglicht eine kompakte Bauform für einen Brenner einer bestimmten Leistung. Die Hülsen werden daher am wirkungsvollsten im Bereich des Plenums eingesetzt, wo eine vergleichsweise große Luftströmung umgelenkt wird und noch keine Strömungsführung durch die Vormischpassagen erfolgen kann.
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Vorteilhafterweise umfasst eine Verbrennungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, einen solchen Brenner nach der Erfindung.
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Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners, wobei im Betrieb Verdichterendluft einen Düsenhalter umströmt und an einem Ende des Düsenhalters in einem Plenum umgelenkt wird und in Vormischpassagen des Düsenhalters strömt, und Brennstoff über in die Vormischpassagen ragende Brennstofflanzen sowohl in den Vormischpassagen als auch bezogen auf eine Strömungsrichtung der Verdichterendluft stromauf der Vormischpassagen in die Verdichterendluft eingedüst wird, wobei die Verdichterendluft im Bereich der Brennstoffeindüsungen stromauf der Vormischpassagen in getrennte Ströme aufgeteilt wird und Brennstofflanzen unmittelbar umgebende Ströme so eingestellt werden, dass sie parallel zu den Längsachsen der Brennstofflanzen ausgerichtet sind.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn in den Vormischpassagen entstehende Soge Richtung und Geschwindigkeit der die Brennstofflanzen unmittelbar umgebenden Ströme beeinflussen.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
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1 eine Gasturbine in einem Längsschnitt,
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2 einen Brenner gemäß der Erfindung,
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3 einen Brenner gemäß der Erfindung mit einer an Wirbelerzeugern befestigten Hülse,
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4 einen Brenner nach dem Stand der Technik mit Drallschaufeln und
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5 einen Brenner gemäß der Erfindung mit einer an Drallschaufeln befestigten Hülse.
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Die 1 zeigt eine Schnittansicht einer Gasturbine 13 in schematisch vereinfachter Darstellung. Die Gasturbine 13 weist in ihrem Inneren einen um eine Rotationsachse 14 drehgelagerten Rotor 15 mit einer Welle 16 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang dem Rotor 15 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 17, ein Verdichter 18, ein Verbrennungssystem 19 mit mehreren Brennern 1, ein Brennstoffversorgungssystem (nicht dargestellt) für die Brenner 1, eine Turbine 20 und ein Abgasgehäuse 21.
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Das Verbrennungssystem 19 mündet am Turbineneintritt in einen ringförmigen Heißgaskanal, durch den das heiße Arbeitsgas des Verbrennungssystems auf die hintereinander geschalteten Turbinenstufen der Turbine 20 strömt. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung des Arbeitsgases gesehen folgt im Heißkanal einer aus Leitschaufeln 22 gebildeten Reihe eine aus Laufschaufeln 23 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 22 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators 24 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 23 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 15 angebracht sind. An den Rotor 15 angekoppelt ist beispielsweise ein Generator (nicht dargestellt).
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Während des Betriebs der Gasturbine 13 wird vom Verdichter 18 durch das Ansauggehäuse 17 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 18 bereitgestellte Verdichterendluft wird zu dem Verbrennungssystem 19 geführt und dort über jeweils ein Plenum 12 in die Brenner 1 geleitet, mit Brennstoff vermischt und/oder im Austrittsbereich der Brenner 1 mit Brennstoff angereichert. Brennstoffzuführsysteme versorgen die Brenner 1 hierbei mit Brennstoff. Das Gemisch bzw. die Verdichterluft und der Brennstoff werden von den Brennern 1 in die Brennkammer 25 eingeleitet und verbrennen unter Bildung eines heißen Arbeitsgasstromes in einer Verbrennungszone innerhalb der Brennkammerwand bzw. Außenschale 26 der Brennkammer 25. Von dort strömt der Arbeitsgasstrom entlang dem Heißgaskanal an den Leitschaufeln 22 und den Laufschaufeln 23 vorbei. An den Laufschaufeln 23 entspannt sich der Arbeitsgasstrom impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 23 den Rotor 15 antreiben und dieser den an ihn angekoppelten Generator (nicht dargestellt).
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Die 2 zeigt die Hälfte eines Schnittes durch einen um die Achse 27 rotationssymmetrischen Strahlbrenner 1. Der Düsenhalter 11 des Strahlbrenners 1 ist innerhalb eines Zylinders 28 zur Führung von Verdichterendluft angeordnet und umfasst mehrere auf einem Ring angeordnete Vormischpassagen 2 mit einem Lufteinlass 3, von denen eine 2 in der 2 gezeigt ist. Ferner kann der Brenner 1 einen in der 2 zentral angeordneten Pilotbrenner 29 umfassen. Brennstofflanzen 4 erstrecken sich durch die Stirnfläche 30 hindurch in Richtung der Vormischpassagen 2 und ragen in die Vormischpassagen 2 hinein.
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Die Brennstofflanzen 4 weisen mindestens eine erste (radiale) Brennstofföffnung 5 an einer ersten axialen Position 6 und mindestens eine zweite (radiale) Brennstofföffnung 7 an einer zweiten axialen Position 8 stromauf der ersten axialen Position 6 auf. Gemäß der Erfindung ist nun eine Hülse 9 auf Höhe der zweiten axialen Position 8 um die Brennstofflanze 4 angeordnet. Die Hülse 9 dient als Strömungsführung für den an der zweiten axialen Position 8 über die zweiten Brennstofföffnungen 7 in den Luftstrom eingedüsten Brennstoff. Die Hülse 9 erstreckt sich von einer Position stromauf der zweiten Brennstofföffnungen 7 bis in die Vormischpassage 2 hinein. Was die 2 nicht zeigt, ist die Befestigung der Hülse. Mögliche Befestigungen sind beispielswiese eine Anordnung über radiale Stege direkt auf der Brennstofflanze 2 oder auch über von der Stirnfläche 30 sich erstreckende Stützen.
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Die 2 zweigt ferner stromab der Hülse 9 und stromauf der ersten Brennstofföffnungen 5 zur Verbesserung der Durchmischung von Brennstoff und Luft auf der Brennstofflanze 4 angeordnete Wirbelerzeuger 10.
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Im Betrieb strömt Verdichterendluft zwischen Zylinder 28 und Düsenhalter 11 in der 2 von rechts nach links und wird im Plenum 12 an einer Stirnfläche 30 des Zylinders 28 in Richtung der Vormischpassagen 2 des Düsenhalters 12 umgelenkt. Brennstoff wird über die in die Vormischpassagen 2 ragenden Brennstofflanzen 4 sowohl in den Vormischpassagen 2 als auch bezogen auf eine Strömungsrichtung der Verdichterendluft stromauf der Vormischpassagen 2 in die Verdichterendluft eingedüst. Gemäß der Erfindung wird die Verdichterendluft im Bereich der Brennstoffeindüsungen stromauf der Vormischpassagen 2 mittels Hülsen 9 in getrennte Ströme aufgeteilt und geführt, so dass die die Brennstofflanzen 4 unmittelbar umgebenden Ströme parallel zu den Längsachsen 31 der Brennstofflanzen 4 ausgerichtet sind. In den Vormischpassagen 2 fällt der statische Druck wodurch der Luftstrom beschleunigt wird und eine Sogwirkung auf die Strömung entsteht, welche die Brennstofflanzen unmittelbar umgibt.
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Die 3 zeigt einen Brenner 1 gemäß der Erfindung mit einer an Wirbelerzeugern 10 befestigten Hülse 9. Die bei dieser Ausführungsform ohnehin vorhandenen Wirbelerzeuger 10 machen weitere Befestigungsmaßnahmen für die Hülse 9 überflüssig. Gleichzeitig wird hier die gesamte verfügbare Strecke für die Führung der Luft entlang der Brennstofflanze 4 bis zu den Wirbelerzeugern 10 ausgenutzt.
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4 zeigt einen Brenner nach dem Stand der Technik. In der Darstellung der 4 ist der obere Teil aufgeschnitten. Auf Höhe der ersten axialen Position 6 erstrecken sich Drallschaufeln 32 radial zwischen der Brennstofflanze 4 und Rändern der Vormischpassage 2. Die Drallschaufeln 32 weisen radiale Passagen 33 auf, die strömungstechnisch mit der Brennstofflanze 4 verbunden sind. Zum Eindüsen von Brennstoff sind erste Brennstofföffnungen 5 in den Drallschaufeln 32 angeordnet.
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5 zeigt einen Brenner 1 gemäß der Erfindung, bei dem die Hülse 9 an ihrem stromabwärtigen Ende an den Drallschaufeln 32 befestigt ist. Wie in den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 umgibt die Hülse 9 auch hier die Brennstofflanze 4 auf Höhe der zweiten axialen Position 8, an der die zweiten Brennstofföffnungen 7 in der Brennstofflanze 4 angeordnet sind.
