DE10355930A1 - Brenner - Google Patents

Abstract

Ein Brenner 1 für einen Wärmeerzeuger umfasst einen Auslass 10, der an eine Brennkammer 9 anschließbar ist, wobei wenigstens ein Teil einer Innenfläche des Auslasses 10 mit Wellungen 11 versehen ist, die dazu ausgebildet ist, die Erzeugung axialer Wirbel im Bereich des Auslasses 1 zu erleichtern.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner zum Erzeugen von heißem Gas, und insbesondere einen Brenner mit Vormischung, der an eine Brennkammer anschließbar ist.
• Viele Gasbrenner benötigen eine Drallströmung, um eine effiziente Mischung von Reaktanten zu erzeugen. Die Wechselwirkung zwischen den komplexen Strömungsmustern in dem Drallfluid und akustischen Resonanzmoden in der Brennkammer kann jedoch zu unerwünschten thermoakustischen Pulsationen oder Vibrationen führen. Diese Pulsationen hängen mit kohärenten Wirbelströmungen in der Brennkammer zusammen. Die Wirbelströmungen führen eine Periodizität in den Mischprozess ein, die zu einer periodischen Wärmefreisetzung und Resonanzkopplung mit den akustischen Resonanzmoden der Brennkammer führen kann. Eine Wirbelmischung der Reaktanten ist meistens auch auf ein Mischen in großem Maßstab beschränkt, mit dem Ergebnis, dass ein Mischen in Bereichen zwischen Wirbeln in der Wirbelströmung meistens schlecht ist.
• Thermoakustische Vibrationen sind in Verbrennungsprozessen problematisch, da sie zu Druckschwankungen mit hohen Amplituden führen können, wie auch zu einer Einschränkung im Betriebsbereich des fraglichen Brenners und zu verstärkten Emissionen von dem Brenner. Viele Brennkammern verfügen über keine angemessene akustische Dämpfung, um solchen thermoakustischen Vibrationen gerecht zu werden.
• In herkömmlichen Brennkammern bewirkt die Kühlluft, die in die Brennkammer strömt, eine Dämpfung von Geräuschen und trägt daher zur Dämpfung von thermoakustischen Vibrationen bei. In modernen Gasturbinen jedoch strömt ein zunehmender Anteil der Kühlluft durch den Brenner selbst, um geringe Emissionen zu erreichen. Der Kühlluftstrom innerhalb der Brennkammer wird dadurch ver ringert, was zu einer geringeren Dämpfung der thermoakustischen Vibrationen in der Kammer führt.
• Ein anderes Verfahren zum Dämpfen ist das Koppeln von Helmholtz-Dämpfern in der Brennkammer, vorzugsweise im Bereich der Kuppel der Brennkammer oder im Bereich der Kaltluftzufuhr. Solche Dämpfer haben jedoch einen ziemlich großen Raumbedarf beim Einbau in eine Brennkammer. Da moderne Brennkammern meist relativ kompakt sind, ist es für gewöhnlich unmöglich, Helmholtz-Dämpfer in die Brennkammer einzubauen, ohne die Kammer deutlich in ihrer Konstruktion zu verändern.
• Ein weiteres Verfahren zur Steuerung der thermoakustischen Vibrationen beinhaltet die aktive akustische Erregung. In diesem Prozess wird eine Scherschicht, die sich im Auslassbereich des Brenners bildet, akustisch angeregt. Eine geeignete Phasenverzögerung zwischen den thermoakustischen Vibrationen und den Erregungsvibrationen ermöglicht, eine Dämpfung der Brennkammer auf Grund der Überlagerung der Vibrationen und der Erregung zu erreichen. Bei der Erzeugung einer solchen akustischen Erregung wird jedoch eine beachtliche Energiemenge verbraucht.
• Ein weiteres Mittel zur Bereitstellung einer Dämpfung in der Brennkammer ist die Modulierung des Brennstoffmassestroms in dem Brenner. Brennstoff wird in den Brenner mit einer Phasenverschiebung in Bezug auf gemessene Signale in der Brennkammer eingespritzt, so dass zusätzliche Wärme bei minimalem Druck freigesetzt wird. Dies verringert die Amplitude der thermoakustischen Vibrationen. Diese Technik führt jedoch auch zu hohen Emissionen auf Grund des vermehrten Brennstoffs.
• Eine weitere Alternative ist das Eindüsen von Luft in den Brenner über Düsen, um die Wirbelströmung zu stören und aufzubrechen. Die erforderlichen zusätzlichen Rohrleitungen und Installationen verkomplizieren jedoch die Konstruktion der Brennkammer. Ferner verringert der erforderliche zusätzliche Luftstrom den gesamten Wirkungsgrad.
• In einer ähnlichen Technik wird die Wirbelströmung durch Prallflächen aufgebrochen, die an der Innenseite des Brenners angeordnet sind, um die Wirbelströmung zu stören. Der Einbau solcher Prallflächen erhöht jedoch die konstruktionstechnischen Ausgaben für den Brenner, was von Nachteil ist.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Brenners, bei dem die oben genannten Nachteile behoben sind.
• Die Erfindung stellt einen Brenner für einen Wärmegenerator bereit, umfassend einen Auslass, der an eine Brennkammer anschließbar ist, wobei wenigstens ein Teil der Innenfläche des Auslasses mit Wellungen versehen ist, die dazu ausgebildet sind, die Erzeugung axialer Wirbel im Bereich des Auslasses zu erleichtern.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wellungen im Wesentlichen über der gesamten Innenfläche des Auslasses vorgesehen. Die Wellungen weisen vorzugsweise die Form von Aufwölbungen auf. Als Alternative haben die Wellungen einen rechteckigen oder dreieckigen Querschnitt.
• Die Erfindung wird nun ausführlich unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, von welchen:
• 1 eine perspektivische Ansicht eines Auslasses eines Brenners gemäß der Erfindung ist,
• 2 eine Querschnittsansicht des Brenners von 1 entlang der Linie A-A ist,
• 3 ein Diagramm des Stroms in dem Bereich eines Auslasses des Brenners von 1 und 2 ist,
• 4 eine Graphik ist, welche die Wirkung der Erfindung auf Druckschwankungen zeigt, und
• 5 eine Graphik ist, welche die Wirkung der Erfindung auf Emissionen zeigt.
• In 1 hat ein Wärmeerzeuger einen Brenner 1 mit einem Drallerzeuger 2. Der Drallerzeuger 2 erzeugt eine Drallströmung 3 mit einer axialen Strömungskomponente, die zu einem stromabwärts liegenden Brennerauslass 4 weist. Ein Mischen erfolgt in einem Bereich 5 des Drallerzeugers 2, so dass für eine gute Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft gesorgt ist. Der axiale Strömungsquerschnitt des Bereichs 5 verbreitert sich in die Richtung des Auslasses 4; diese Form erleichtert, eine konstante Drallströmung 3 in dem Bereich 5 mit zunehmendem Verbrennungsluftmassenstrom in Richtung der Längsachse B des Brenners 1 zu erreichen. Der Drallerzeuger 2 umfasst zwei hohle Teilkegel (nicht dargestellt), die versetzt zueinander angeordnet sind. Der Versatz der entsprechenden Mittelachsen der teilkegeligen Körper erzeugt zwei tangentiale Luftkanäle 6. Ein Verbrennungsluftstrom 7 strömt mit einer relativ hohen tangentialen Geschwindigkeitskomponente durch die zwei tangentialen Kanäle 6 in den Bereich 5, wodurch die Drallströmung 3 erzeugt wird. Brennstoff wird über einen Brennstoffeinlass 8 in Form einer Düse in den Brenner 1 eingeleitet.
• Der Brenner 1 ist an einer Brennkammer 9 über einen Auslass 10 befestigt, durch den die Drallströmung 3 geht. Die Drallströmung 3 enthält eine Wirbelströmung, die Ströminstabilitäten verursacht, einschließlich thermoakustischer Vibrationen, die zu einer niedrigen Leistung der Brennkammer führen.
• Eine Innenfläche des Auslasses 10 ist mit Wellungen 11 in Form von Aufwölbungen versehen. Der bevorzugte Bereich des Verhältnisses der Länge zu der Tiefe der Aufwölbungen ist 1:1 bis 3:1, kann aber bis zu 10:1 betragen. Die Wellungen 11 können die gesamte Vormischzone des Brenners bedecken, oder nur 20 % der Länge der Vormischzone. Wenn die Drallströmung 3 durch den Auslass 10 geht, strömt sie durch Ausbuchtungen 12 zwischen den Aufwölbungen 11. Infolge der Wellungen 11 entstehen entgegengesetzte radiale Geschwindigkeitskomponenten in der Drallströmung 3 und verursachen eine radiale Scherwirkung, die relativ starke axiale Wirbel erzeugt. Die axialen Wirbel überlagern die Drallströmung 3, um die Wirbelströmung aufzubrechen, wodurch die Kohärenz der Wirbelströmung verringert und die Turbulenz im Bereich des Auslasses 10 erhöht wird. Dies führt zu einer verbesserten Strömungsstabilität. Zusätzlich stellen die axialen Wirbel eine bessere Mischung in kleinem Maßstab in dem Bereich des Auslasses 10 bereit. Der Strömung im Bereich des Auslasses 10 ist in 3 dargestellt.
• 4 zeigt die Wirkung des Brenners gemäß der Erfindung auf Druckschwankungen gemäß einer Variation in der Lambda-Zahl. Linie 13 ist im Prinzip eine Grundlinie, d.h., sie stellt einen Brenner dar, der in keiner Weise modifiziert wurde. Linie 14 stellt einen Brenner mit einer gewellten Düse mit einem Stutzen (nicht dargestellt) dar, d.h., einer Verlängerung des Brennstoffeinlasses 8 entlang etwa 2/3 der Länge des Drallerzeugers 2, und mit Brennstoffeinspritzung. Linie 15 stellt einen Brenner mit einer gewellten Düse mit einem Stutzen im Kopfbereich des Auslasses 7 ohne Brennstoffeinspritzung dar. Linie 16 stellt eine gewellte Düse ohne Stutzen dar.
• 5 zeigt die Wirkung des Brenners gemäß der Erfindung auf Emissionen gemäß einer Variation in der Lambda-Zahl. Linie 13a ist im Prinzip eine Grundlinie, d.h., sie stellt einen Brenner dar, der in keiner Weise modifiziert wurde. Linie 14a stellt einen Brenner mit einer gewellten Düse mit einem Stutzen (nicht dargestellt) und mit Brennstoffeinspritzung dar. Linie 15a stellt einen Brenner mit einer gewellten Düse mit einem Stutzen ohne Brennstoffeinspritzung dar. Linie 16a stellt eine gewellte Düse ohne Stutzen dar.
• Es ist offensichtlich, dass Variationen der zuvor beschriebenen Ausführungsform möglich sind. Alternative Formen von Brennern mit Vormischung sind den Fachleuten allgemein bekannt. Ebenso wäre es möglich, den konischen Drallerzeuger 2 durch einen zylindrischen Drallerzeuger 2 zu ersetzen. Es ist auch bekannt, einen Verdrängungskörper, der zu dem Auslass 10 hin kegelig zugespitzt ist, im Inneren des Drallerzeugers anzuordnen; dies könnte eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung bereitstellen.
• Obwohl die Wellungen 8 die Form von Aufwölbungen aufweisen, können sie auch einen rechteckigen, quadratischen, dreieckigen oder trapezförmigen Querschnitt haben. Die Aufwölbungen können konisch zugespitzt und an der Kante abgerundet sein, gerade und an der Kante abgerundet, halbkreisförmig, halbelliptisch, halboval oder abgestuft sein. Sie können auch entlang ihrer Rückenfläche konisch zugespitzt oder gerade sein.

Claims (9)

1. Brenner für einen Wärmeerzeuger, umfassend einen Auslass, der an eine Brennkammer anschließbar ist, wobei wenigstens ein Teil einer Innenfläche des Auslasses mit Wellungen versehen ist, die dazu ausgebildet sind, die Erzeugung axialer Wirbel im Bereich des Auslasses zu erleichtern.
2. Brenner nach Anspruch 1, wobei die Wellungen im Wesentlichen über der gesamten Innenfläche des Auslasses vorgesehen sind.
3. Brenner nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Auslass die Form einer Düse aufweist.
4. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wellungen die Form von Aufwölbungen aufweisen.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wellungen rechteckig oder dreieckig im Querschnitt sind.
6. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis von der Länge zu der Tiefe der Wellungen 1:1 bis 10:1 ist.
7. Brenner nach Anspruch 6, wobei das Verhältnis von der Länge zu der Tiefe der Wellungen 1:1 bis 3:1 ist.
8. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Wellungen über wenigstens 20 % des Mischabschnittes des Brenners erstrecken.
9. Wärmeerzeuger mit einem Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche.