DE102017201771A1

DE102017201771A1 - Umfangsstufungskonzept für eine Brenneranordnung

Info

Publication number: DE102017201771A1
Application number: DE102017201771.6A
Authority: DE
Inventors: Matthias Hase
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2018-08-09
Also published as: US20190368725A1; WO2018141627A1; US11703218B2; EP3563090B1; EP3563090A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung (1) mit mehreren sich parallel zur Hauptachse (2) der Brenneranordnung (1) erstreckenden und auf mindestens zwei konzentrischen Ringen (3) angeordneten Mischkanälen (4), in denen während des Betriebs der Brenneranordnung (1) Brennstoff und Verdichterendluft gemischt werden, wobei die Mischkanäle(4) so in Brennstoffstufen (5) zusammengefasst sind, dass sich eine unregelmäßige Stufung in Umfangsrichtung (6) der Brenneranordnung (1) ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung mit Mischkanälen, in denen Verdichterendluft und Brennstoff vorgeschmischt werden, bevor sie als Brennstoff-Luft-Gemisch in eine Brennkammer eingedüst werden.
Die WO 2015/176908 Al offenbart eine solche Brenneranordnung, die einen Düsenträger mit einer im Betrieb einer Verbrennungszone zugewandten Heißseite und eine gegenüberliegende, von der Verbrennungszone abgewandte Kaltseite umfasst, wobei sich Durchlässe im Düsenträger von der Kaltseite zur Heißseite, also parallel zur Hauptachse der Brenneranordnung erstrecken, mit je einem Einlass auf der Kaltseite und einem Auslass auf der Heißseite. Die Durchlässe dienen als Strahldüsen, die auf einem oder mehreren Kreisen, beispielsweise in zwei Brennstoffgruppen mit je einer Gruppe auf einem Kreis, angeordnet sind und an deren Einlässen Brennstofflanzen angeordnet sind. Die beiden durch die Brennstoffgruppen gebildeten Strahlbrennerstufen sind jeweils am Umfang im Wesentlichen gleichförmig bezüglich der Flammentemperatur, da der Brennstoff gleich verteilt wird. Lediglich durch vergleichsweise leichte Luftungleichverteilung ergeben sich vergleichsweise geringe unterschiedliche Flammentemperaturen.
Während des Brennerbetriebs können Probleme mit hochfrequenten Schwingungen (HFD) aufgetreten, die den fahrbaren Bereich der Brenneranordnung einschränken, u.a. erreicht die Maschine nicht die Grundlast oder es erfolgt ein Maschinenschnellschluss. Im schlimmsten Fall kommt es innerhalb kurzer Zeit zu Schäden an der Gasturbine.
Dieses Problem kann durch Einsatz von Helmholtz-Resonatoren zumindest etwas verringert werden, ist jedoch bislang nicht vollständig gelöst.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brenneranordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die ein verbessertes Verhalten im Hinblick auf hochfrequente Schwingungen aufweist.
Die Erfindung löst die auf eine Brenneranordnung gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Brenneranordnung mit mehreren sich parallel zur Hauptachse der Brenneranordnung erstreckenden und auf mindestens zwei konzentrischen Ringen angeordneten Mischkanälen, in denen während des Betriebs der Brenneranordnung Brennstoff und Verdichterendluft gemischt werden, die Mischkanäle so in Brennstoffstufen zusammengefasst sind, dass sich eine unregelmäßige Stufung in Umfangsrichtung der Brenneranordnung ergibt.
Die Erfindung sieht somit statt der im Stand der Technik offenbarten radialen Stufung eine Umfangsstufung für die Brenneranordnung vor. Damit ist es möglich, die Flammentemperatur leicht über den Umfang zu variieren, was die Ausbildung der typischerweise mit einem Umfangsmodenanteil auftretenden HFD Dynamics effektiv unterdrückt. Zusätzlich ist zu erwarten, dass die vorgeschlagene Stufung auch einen stabileren Betrieb der Brenneranordnung gegen Flammenverlust während der Belastung ermöglicht.
Zweckmäßigerweise umfasst die Brenneranordnung einen zentral angeordneten Pilotbrenner, um die Verbrennung des durch die Mischkanäle bereitgestellten Brennstoff-Luft-Gemischs zu stabilisieren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht eine Brennstoffstufe aus zumindest zwei Untergruppen. Somit kann eine maßvolle Asymmetrie der Verteilung der Brennstoffzufuhr über den Umfang der Brenneranordnung erfolgen, ohne dass unnötig viele Brennstoffstufen definiert werden müssen, die dann doch nur gemeinsam, d.h. in Gruppen, betrieben werden. Die Belastung nachfolgender Bauteile bleibt dadurch vergleichsweise gleichmäßig und hochfrequente Schwingungen lassen sich so am besten einschränken.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform besteht eine Untergruppe aus mindestens zwei unmittelbar benachbarten Mischkanälen verschiedener Ringe. Im Betrieb stabilisieren sich die Flammen der jeweiligen Mischkanäle gegenseitig. Insbesondere erfolgt eine Stabilisierung der Verbrennung der gesamten Brenneranordnung ausgehend vom zentralen Piloten, über einen inneren Ring an Mischkanälen weiter nach außen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn innerhalb einer Untergruppe eine Anzahl an Mischkanälen eines Rings nicht mehr als doppelt so hoch ist, wie eine Anzahl an Mischkanälen eines anderen Rings. Somit wird sichergestellt, dass ein Verhältnis der Anzahl der Mischkanäle der einzelnen Untergruppen über die gesamte Brenneranordnung sinnvoll verteilt ist, um überall eine möglichst hohe Verbrennungsstabilität zu gewährleisten.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn zumindest bei einer Brennstoffstufe die Untergruppen eine voneinander verschiedene Anzahl an Mischkanälen aufweisen. Diese Asymmetrie trägt dazu bei, hochfrequente Verbrennungsschwingungen zu vermeiden.
Schließlich ist es zweckmäßig, wenn die Anzahl der Mischkanäle einer Brennstoffstufe die Anzahl der Mischkanäle einer weiteren Brennstoffstufe nicht mehr als 50 % übersteigt, damit über die gesamte Brenneranordnung die Belastung nachfolgender Komponenten aufgrund von Anpassungen der Brennstoffzuteilung zu den einzelnen Brennstoffstufen zur Vermeidung von Verbrennungsschwingungen möglichst klein gehalten werden kann.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt schematisch und nicht maßstäblich eine Brenneranordnung 1 mit mehreren sich parallel zur Hauptachse 2 der Brenneranordnung 1 erstreckenden und auf zwei konzentrischen Ringen 3 angeordneten Mischkanälen 4, in denen während des Betriebs der Brenneranordnung 1 Brennstoff und Verdichterendluft gemischt werden. Gemäß der Erfindung sind die Mischkanäle 4 so in Brennstoffstufen 5, die in der Figur mit A und B gekennzeichnet sind, zusammengefasst, dass sich eine unregelmäßige Stufung in Umfangsrichtung 6 der Brenneranordnung 1 ergibt. Die Figur zeigt nur ein Beispiel, das Prinzip einer Brennstoffstufung über den Umfang lässt sich aber auf jede beliebige Anzahl von Mischkanälen 4 übertragen und es ist dabei unerheblich, ob es sich um eine gerade oder ungerade Anzahl von Mischkanälen 4 handelt. Auch die Anzahl der Ringe 3, auf denen die Mischkanäle 4 angeordnet sind, kann variieren. Grundsätzlich kann die Brenneranordnung 1 auch mehr als zwei vorgemischte Brennstoffstufen 5 (A und B) haben, allerdings ist dies aufgrund von Kostengesichtspunkten nicht sinnvoll.
Im Ausführungsbeispiel der Figur ist gezeigt, dass die Mischkanäle 4 der Brennstoffstufen 5, die mit A und B bezeichnet sind, ungleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Dabei bilden immer mindestens zwei benachbarte Mischkanäle 4 aus dem inneren und dem äußeren Ring 3 eine Untergruppe 8 der jeweiligen Brennstoffstufe 5 (A oder B). Diese beiden Mischkanäle 4 werden durch zusätzliche Mischkanäle 4 des inneren und/oder äußeren Rings 3 ergänzt, wobei die Untergruppen 8 nicht deutlich mehr Mischkanäle 4 aus einem Ring 3 beinhalten.
Eine Brennstoffstufe 5 kann aus zwei, drei oder mehr Untergruppen 8 mit unterschiedlicher Anzahl an Mischkanälen 4 bestehen, im Beispiel der Figur sind es zwei Untergruppen 8 je Brennstoffstufe 5.
Weiter zeigt die Figur, dass nicht alle Untergruppen 8 die gleiche Anzahl an Mischkanälen 4 aufweisen, was im Hinblick auf die zu erzielende Unregelmäßigkeit als vorteilhaft angesehen wird.
Unregelmäßigkeiten im Hinblick auf Anordnung bzw. Anzahl der Mischkanäle sind erwünscht, sollen aber nicht maximiert werden. Insbesondere ist darauf zu achten, dass die Brennstoffstufen 5 eine möglichst gleiche Anzahl an Mischkanälen 4 haben, um eine stabile Verbrennung bezüglich Flammenverlusts zu gewährleisten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/176908 [0002]

Claims

Brenneranordnung (1) mit mehreren sich parallel zur Hauptachse (2) der Brenneranordnung (1) erstreckenden und auf mindestens zwei konzentrischen Ringen (3) angeordneten Mischkanälen (4), in denen während des Betriebs der Brenneranordnung (1) Brennstoff und Verdichterendluft gemischt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkanäle(4) so in Brennstoffstufen (5) zusammengefasst sind, dass sich eine unregelmäßige Stufung in Umfangsrichtung (6) der Brenneranordnung (1) ergibt.
Brenneranordnung (1) nach Anspruch 1, weiter umfassend einen zentral angeordneten Pilotbrenner (6).
Brenneranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Brennstoffstufe (5) aus zumindest zwei Untergruppen (8) besteht.
Brenneranordnung (1) nach Anspruch 3, wobei eine Untergruppe (8) aus mindestens zwei unmittelbar benachbarten Mischkanälen (4) verschiedener Ringe (3) besteht.
Brenneranordnung (1) nach Anspruch 3, wobei innerhalb einer Untergruppe (8) eine Anzahl an Mischkanälen (4) eines Rings (3) nicht mehr als doppelt so hoch ist, wie eine Anzahl an Mischkanälen (4) eines anderen Rings (3).
Brenneranordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei zumindest bei einer Brennstoffstufe (5) die Untergruppen (8) eine voneinander verschiedene Anzahl an Mischkanälen (4) aufweisen.
Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Mischkanäle (4) einer Brennstoffstufe (5) die Anzahl der Mischkanäle (4) einer weiteren Brennstoffstufe (5) nicht mehr als 50 % übersteigt.