DE19615910A1

DE19615910A1 - Brenneranordnung

Info

Publication number: DE19615910A1
Application number: DE19615910A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dr Kiesow
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-04-22
Filing date: 1996-04-22
Publication date: 1997-10-23
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: DE19615910B4; US5983643A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungs technik. Sie betrifft eine Brenneranordnung einer Brennkam mer, insbesondere Gasturbinenbrennkammer, die sowohl für Vormischbrenner, als auch für teilvorgemischte Brenner und für Diffusionsbrenner angewendet werden kann.

Stand der Technik

Bekannt sind Brenneranordnungen von Gasturbinenbrennkammern, bei denen die Brenner alle gleich orientiert und symmetrisch verteilt um die Brennkammerachse angeordnet sind. Die Bren nerachse ist dabei meist parallel zur Brennkammerachse bzw. zur Mittelschnittebene bei Ringbrennkammern angeordnet, aber es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen die Brennerachse und die Brennkammerachse zueinander geneigt sind. Im allge meinen ist die Strömungsrichtung der Brenner axial mit einer leicht radialen Komponente.

Zur Erzeugung eines zusätzlichen Dralles in der Brennkammer sind auch tangential geneigte Brenneranordnungen bekannt.

Allen Ausführungen ist eine regelmäßige Anordnung der Bren ner bzw. bei Ringbrennkammern eine regelmäßige Anordnung zu mindestens aller Brenner eines Ringes gemeinsam.

Diese Anordnung wird gewählt, um eine möglichst homogene Ver teilung der Brenngase schon in der primären Verbrennungszone zu erzielen, was zu einer homogenen Austrittsverteilung der Brennkammerabgase führt. Allerdings müssen hierdurch auch Nachteile in Kauf genommen werden.

Insbesondere bei vorgemischten Brennern neigt eine homogene Reaktionszone, d. h. homogene "Flammenscheibe" zu unerwünsch ten Druckpulsationen. Da der Abstand der Brenner zur Verbren nungszone gleich ist, haben alle Brenner dieselbe Zeitkon stante. Tritt nun eine durch Turbulenz immer vorhandene leichte Störung auf, so antworten alle Brenner mit Umsatz schwankungen. Erfolgen diese Schwankungen wiederum im geeig neten Zeitpunkt, so kann sich eine Pulsation mit für die Ma schine schädlichen Amplituden aufschaukeln.

Die Anregung der Druckpulsationen kann auch über andere Me chanismen bewirkt werden, beispielsweise periodische Ablösun gen, Entropiewellen u. a. mehr.

Ein weiterer Nachteil einer solchen regelmäßigen Anordnung der Brenner besteht darin, daß die Querzündung von Brenner zu Brenner erschwert ist, denn die Querzündung wird in diesem Falle lediglich durch drallinduzierte Querströmung bewirkt.

Aus EP 0 655 581 A1 ist ein Brenner mit mindestens einem er sten Hohlorgan, in dem gasförmiges Oxydationsmittel entlang strömt und mindestens einem zweiten Hohlorgan zur Eindüsung vom Brennstoff in die Oxydationsmittelströmung bekannt, bei dem die Mündungen der zweiten Hohlorgane asymmetrisch in Be ziehung zum ersten Hohlorgan angeordnet sind, dergestalt, daß die Mischzone stromaufwärts der Flamme ein Gebiet ent hält, bei welchem das Verhältnis von Brennstoff zum Oxyda tionsmittel einen unterstöchiometrischen Wert aufweist. Es können auch verschiedene Organe, beispielsweise Rohre, mit unterschiedlichen Querschnitten asymmetrisch im ersten Hohl organ angeordnet sein. Mit dieser Anordnung werden einerseits die Brennkammerleistung erhöht und andererseits sollen die NOx-Emissionen verringert werden. Die vorgeschlagene Lösung beruht darauf, daß am Brenneraustritt keine homogene Mi schung vorliegt, sondern Bereiche mit höherer bzw. niedrige rer Brennstoffkonzentration als im Mittel. Sollen jedoch we sentlich geringere NOx-Emissionen erzielt werden, so muß das Luft/Brennstoff-Gemisch vollständig gemischt sein, d. h. daß die in EP 0 655 581 A1 vorgestellte Lösung nicht anwendbar ist.

Weiterhin ist der Anmelderin ein Verfahren zum Betrieb einer mit Vormischbrennern bestückten Brennkammer bekannt, die mit gegeneinander verstimmten, in Geometrie und Größe gleich ausgebildeten Brennern ausgerüstete ist. Diese Brenner wer den mit unterschiedlichen Luftzahlen λ betrieben und haben daher unterschiedliche Flammentemperaturen. Das führt zu einer Erweiterung des Operationsgebietes der Brennkammer, in dem ein stabiler Betrieb der Brennkammer auch im niedrigen Lastbereich ohne Stufung der Brenner möglich ist. Nachteilig ist, daß ein gewisser Anstieg der NOx-Emissionen in Kauf genommen werden muß.

Eine weitere Möglichkeit, die Brenner zu verstimmen, ist aus EP 0 686 812 A1 bekannt. Dort wird ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners für eine Gasturbine offenbart, bei dem der Brennstoff an axial unterschiedlichen Stellen entlang des Brenners, z. B. schon vor der Drallbeschaufelung, eingebracht und die Strömung des Brennstoffes zu einer stromabwärtigen Verbrennungszone kontrolliert wird, um eine asymmetrische Strömung des Brennstoffes über den Brenner zu erreichen. Dies führt ebenfalls zu einer Erweiterung des Operationsgebietes des Brenners, da im niedrigen Lastbereich hohe akustische Geräusche und Resonanzen (Druckpulsationen) vermieden werden und eine Reduktion des dynamischen Druckverlustes ohne An stieg der NOx-Emissionen erreicht wird. Die Eindüsung von Gas vor der Drallbeschaufelung erzeugt aber hier ein brennbares Gemisch vor den Drallerzeugern. Erfahrungsgemäß neigen der artige Anordnungen zu Flammenrückschlag mit der Gefahr des Abbrandes der Schaufeln. Nachteilig ist außerdem die sehr komplex aufgebaute Brennstoffzuführung.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brenneranordnung, insbeson dere für Gasturbinenbrennkammern zu entwickeln, mit der die Brennkammerleistung gezielt beeinflußt werden kann und bei der Druckpulsationen, die durch unterschiedliche Ursachen hervorgerufen werden können, vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Brenneranordnung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch erreicht, daß der/die Störbrenner im Vergleich zu dem/den Hauptbrenner(n) in der Brennkammer geneigt angeordnet ist/sind. Erfindungs gemäß wird dies auch dadurch erreicht, daß der/die Stör brenner im Vergleich zu dem/den Hauptbrenner(n) in der Brennkammer axial verschoben angeordnet ist/sind.

Durch diese erfindungsgemäße Brenneranordnung in einer Silo- bzw. Rohrbrennkammer oder Ringbrennkammer wird die Symmetrie bzw. Homogenität der Flammenscheibe gestört. Die Vorteile der Erfindung bestehen zusätzlich darin, daß durch die Neigung der Störbrenner eine Querströmung entsteht, die die Querzün dung der Brenner wesentlich erleichtert, so daß der Stabil itätsbereich der Brenner in Richtung niedrigerer Lasten ver schoben wird. Außerdem wirken die Störbrenner auch schwin gungsdämpfend.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn der/die Störbrenner in Um fangsrichtung geneigt angeordnet ist/sind.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der/die Störbrenner in ra dialer Richtung geneigt angeordnet ist/sind, d. h. es sind Winkelabweichungen zur Brennkammerachse bzw. zur Brennkammer mittelschnittsebene vorgesehen. Dabei wird eine solche Nei gung des/der Brenner bevorzugt, bei der der/die Brenner nicht auf die Brennkammerwand feuert/feuern, sondern die Brenner mündung/Brennermündungen vom nächstliegenden Teil der Brenn kammerwand weggerichtet ist/sind. Das hat den Vorteil, daß die Wand nicht zu stark thermisch belastet wird.

Schließlich wird mit Vorteil eine Brenneranordnung gewählt, bei der Haupt- und Störbrenner in unsymmetrischen Mustern in der Brennkammer angeordnet sind. Unerwünschte Druckpulsatio nen können so am einfachsten unterbunden werden. Aber auch symmetrische Muster sind denkbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Er findung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Gasturbine mit einer Silobrennkammer mit axial verschobenen Störbren nern;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt einer Gasturbine mit einer mit Vormischbrennern bestückten Ringbrennkammer, wobei der Störbrenner im Vergleich zu den Haupt brennern axial verschoben ist;

Fig. 3 eine Abwicklung einer Ringbrennkammer in der Ebene einer Brennerreihe, wobei der Störbrenner im Ver gleich zu den Hauptbrennern geneigt angeordnet ist;

Fig. 4 eine andere Ausführungsvariante zu Fig. 3;

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt einer Ringbrennkam mer mit Haupt- und Störbrennern, wobei diese in einem symmetrischen Muster angeordnet sind;

Fig. 6 einen schematischen Querschnitt einer Ringbrennkam mer mit Haupt- und Störbrennern, wobei diese in einem unsymmetrischen Muster angeordnet sind.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen und der Fig. 1 bis 6 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Teillängsschnitt eine Gasturbinenan lage. In einem Gehäuse 1 sind auf einer gemeinsamen Welle 2 ein Verdichter 3 und eine Turbine 4 angeordnet. Von einer auf das Turbinengehäuse 1 aufgesetzten Silobrennkammer 5 stellt ein Heißgasgehäuse 6 die Verbindung mit dem Turbineintritt 7 her. Vom Verdichter 3 gelangt komprimierte Luft durch einen Luftkanal 8 in einen vom Turbinengehäuse 1 umschlossenen Zwi schenraum 9, von dem ein Teil der Luft als Primärluft über einen Verbrennungslufteintritt 10 in den Brennraum 11 der Brennkammer 5 gelangt, während ein anderer Teil der Luft über Mischluftdüsen 12 als Sekundärluft dem Heißgas im Brennraum 11 beigemischt wird. Über die schematisch dargestellten Bren ner 13 wird der Brennkammer 5 Brennstoff zugeführt, welcher mit der in die Brennkammer 5 gelangenden Luft zu Heißgas verbrennt. Die Heißgase aus der Silobrennkammer 5 gelangen in Pfeilrichtung durch den Turbineneintritt 7 in die Turbine 4, expandieren darin und verlassen die Turbine 4 durch einen Abgasstutzen 14.

Die Brennkammer 5 ist mit mehreren Brennern 13 bestückt. Die Brenner 13 sind in diesem Ausführungsbeispiel Diffusionsbren ner, die in zwei Brennergruppen aufgeteilt sind, und zwar in die Hauptbrennergruppe 13.1 und in die Störbrennergruppe 13.2. Die beiden Brennergruppen 13.1 und 13.2 werden von Brennern gleicher Geometrie und gleicher Größe gebildet, wobei er findungsgemäß die Hauptbrenner, d. h. die Brenner der Bren nergruppe 13.1, einen Verbund mit gleichem axialen Abstand l₁ von der Wellenachse 15 bilden, während die Störbrenner, d. h. die Brenner der Brennergruppe 13.2, einen anderen axialen Ab stand l₂ von der Wellenachse 15 aufweisen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der axiale Abstand aller Störbrenner 13.2 von der Wellenachse 15 konstant. Selbstverständlich kön nen in anderen Ausführungsbeispielen die Abstände l₂ auch in nerhalb der Störbrennergruppe 13.2 variieren. Wichtig ist nur, daß die Störbrenner 13.2 den symmetrischen Verbund der Hauptbrenner 13.1 stören und dadurch Inhomogenitäten in der Flammenscheibe erzeugen, so daß sich z. B. Pulsationen im Brenner nicht zu schädlichen Amplituden aufschaukeln können, sondern gedämpft werden.

Fig. 2 zeigt einen Teillängsschnitt einer Gasturbine mit einer mit Vormischbrennern 13 bestückten Ringbrennkammer 5. Die Brenner 13 sind in diesem Ausführungsbeispiel Vormisch brenner der Doppelkegelbauart, welche beispielsweise in EP 0 321 809 B1 beschrieben ist.

In einem Gehäuse 1 sind auf einer gemeinsamen Welle 2 ein Verdichter 3 und eine Turbine 4 angeordnet. Zwischen dem Ver dichter 3 und der Turbine 4 befindet sich eine Ringbrennkam mer 5, die über den Turbineneintritt 7 mit der Turbine 4 ver bunden ist, von der nur eine Leitschaufel der ersten Leit schaufelreihe dargestellt ist. Vom Verdichter 3, von dem in Fig. 2 nur die letzten Verdichterstufen dargestellt sind, gelangt komprimierte Luft durch einen Luftkanal 8, der als Umlenkdiffusor ausgebildet ist, in ein zwischen Verdichter 3 und Ringbrennkammer 5 angeordnetes Plenum 16. Vom Plenum 16 aus strömt die Verbrennungsluft über tangentiale Luftein trittsschlitze in die Brenner 13.1 und 13.2 und mischt sich im Innenraum der Brenner mit dem über Brennstofflanzen 17 eingebrachten Brennstoff. Das Gemisch zündet erst am stromab wärtigen Ende der Brenner. Die Flamme wird durch eine Rezir kulationszone 18 stabilisiert. Die Heißgase werden am strom abwärtigen Ende der Brennkammer 5 beschleunigt, strömen über den Turbineneintritt 7 in die Turbine 4, expandieren darin und verlassen die Turbine 4 durch einen in Fig. 2 nicht dar gestellten Abgasstutzen.

Die Brenner 13 sind in der Ringbrennkammer 5 im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik nicht alle regelmäßig angeord net. Lediglich die Hauptbrenner 13.1 sind regelmäßig in der Brennkammer 5 angeordnet, damit eine möglichst homogene Ver teilung der Brenngase schon in der primären Verbrennungszone erzielt werden kann, was wiederum zu einer homogenen Aus trittsverteilung der Brennkammerabgase führt. Der Nachteil von durch die homogene Reaktionszone hervorgerufenen Druck pulsationen und mangelnder Querzündung von Brenner zu Brenner wird durch die erfindungsgemäße Brenneranordnung beseitigt. Die Störbrenner 13.2 sind axial verschoben zu den Hauptbren nern 13.1 angeordnet. Das führt dazu, daß die Rezirkula tionszonen der einzelnen Brenner nicht mehr in einer Ebene liegen. Der Abstand der Brenner zur Verbrennungszone ist also nicht mehr für alle Brenner gleich, sondern die Störbrenner 13.2 und die Hauptbrenner 13.1 haben unterschiedliche Zeit konstanten. Tritt nun eine durch Turbulenz vorhandene leichte Störung auf, so sind die Umsatzschwankungen der Brenner zeit lich verschoben, so daß Druckpulsationen gedämpft werden. Fig. 3 und Fig. 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Er findung. Es ist jeweils die Abwicklung einer Ringbrennkammer in der Ebene einer Brennerreihe dargestellt, wobei der Stör brenner 13.2 im Vergleich zu den Hauptbrennern 13.1 in Um fangsrichtung geneigt angeordnet ist. Als Brenner sind hier wiederum Vormischbrenner der Doppelkegelbauart eingesetzt. Durch die Neigung der Störbrenner 13.2 entsteht eine Quer strömung, die die Querzündung der Brenner wesentlich erleich tert.

Es sind auch Winkelabweichungen zur Brennkammerachse bzw. zur Brennkammermittelschnittsebene möglich, so daß die Störbren ner 13.2 windschief zur Brennkammer- bzw. zur Maschinenachse stehen.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Ringbrenn kammer mit Haupt- 13.1 und Störbrennern 13.2 in der Ebene der Frontplatte 18, wobei die Brenner in einem symmetrischen Mu ster angeordnet sind, indem in einem Ring abwechselnd ein Hauptbrenner 13.1 und ein Störbrenner 13.2 in gleichem Ab stand voneinander vorgesehen sind. Wichtig ist, daß dadurch die Frequenz erhöht wird.

Aber auch mit dem in Fig. 6 beispielhaft dargestellten unsym metrischen Muster, bei dem nur ein Störbrenner 13.2 im Ring der Ringbrennkammer angeordnet ist, lassen sich die Vorteile der Erfindung erreichen.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die eben be schriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Brennera nordnung ist neben den Vormischbrennern auch für teilvorge mischte und Diffusionsbrenner geeignet, welche sowohl in Ringbrennkammern, als auch in Silo- bzw. Rohrbrennkammern angeordnet sein können. Außerdem ist die Brenneranordnung auch für Kesselfeuerungen einsetzbar.

Mit der Erfindung ist es möglich, neben der Dämpfung der oben beschriebenen Druckpulsationen durch die homogene Flammen scheibe auch solche Druckpulsationen zu dämpfen, die durch andere Mechanismen hervorgerufen werden, z. B. periodische Ablösungen und Entropiewellen. Die Querzündung der Brenner wird verbessert und außerdem kann damit das Austrittsprofil der Brennkammerabgase gezielt an die Erfordernisse der Tur bine angepaßt werden.

Bezugszeichenliste

1 Turbinengehäuse
2 Welle
3 Verdichter
4 Turbine
5 Brennkammer
6 Heißgasgehäuse
7 Turbineneintritt
8 Luftkanal
9 Zwischenraum
10 Primärlufteintritt
11 Brennraum
12 Mischluftdüse
13 Brenner
13.1 Hauptbrenner
13.2 Störbrenner
14 Abgasstutzen
15 Wellenachse
16 Plenum
17 Brennstofflanze
18 Frontplatte
l₁ axialer Abstand der Hauptbrenner 13.1 von Pos. 15
l₂ axialer Abstand der Störbrenner 13.2 von Pos. 15
α Winkel zwischen Brennerachse und Maschinenachse bzw. Brennkammerachse

Claims

1. Brenneranordnung einer Brennkammer (5), insbesondere für eine Gasturbine, wobei mindestens zwei Brennergruppen (13.1, 13.2), bestehend aus jeweils mindestens einem Brenner (13) gleicher Größe und Geometrie zur Bestüc kung der Brennkammer (5) vorgesehen sind und mindestens eine Brennergruppe den/die Hauptbrenner (13.1) dar stellt, wobei der/die Hauptbrenner (13.1) eine homogene Flammenscheibe in der Brennkammer (5) erzeugt/erzeugen, und die andere Brennergruppe als Störbrenner (13.2) die Homogenität der Flammenscheibe in der Brennkammer (5) stört, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Störbrenner (13.2) im Vergleich zu dem /den Hauptbrenner(n) (13.1) in der Brennkammer (5) geneigt angeordnet ist/sind.

2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der/die Störbrenner (13.2) in Umfangsrichtung geneigt angeordnet ist/sind.

3. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der/die Störbrenner (13.2) in radialer Rich tung unter einem beliebigen Winkel (α) windschief zur Maschinenachse bzw. zur Brennkammerachse geneigt ange ordnet ist/sind.

4. Brenneranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß der/die Störbrenner (13.2) eine solche Neigung in radialer Richtung aufweist/aufweisen, daß seine/ihre Mündung(en) vom nächstliegenden Teil der Brennkammerwand weggerichtet ist/sind.

5. Brenneranordnung einer Brennkammer (5), insbesondere für eine Gasturbine, wobei mindestens zwei Brennergruppen (13.1, 13.2), bestehend aus jeweils mindestens einem Brenner (13) gleicher Größe und Geometrie zur Bestüc kung der Brennkammer (5) vorgesehen sind und mindestens eine Brennergruppe den/die Hauptbrenner (13.1) dar stellt, wobei der/die Hauptbrenner (13.1) eine homogene Flammenscheibe in der Brennkammer (5) erzeugt/erzeugen, und die andere Brennergruppe als Störbrenner (13.2) die Homogenität der Flammenscheibe in der Brennkammer (5) stört, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Störbrenner (13.2) im Vergleich zu dem /den Hauptbrenner(n) (13.1) in der Brennkammer (5) axial verschoben angeordnet ist/ sind.

6. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß der/die Störbrenner (13.2) und der/die Hauptbrenner (13.1) in einem unsymmetrischen Muster in der Brennkammer (5) angeordnet ist/sind.

7. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß der/die Störbrenner (13.2) und der/die Hauptbrenner (13.1) in einem symmetrischen Muster in der Brennkammer (5) angeordnet ist/sind.