DE19809364A1 - Dynamisch entkoppelter Brenner mit geringen NO¶x¶-Emissionen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf deren Brenner mit geringen NOx-Emissionen.

Industrielle Gasturbinentriebwerke zur Energieerzeugung enthal­ ten einen Verdichter zum Verdichten von Luft, die mit Brenn­ stoff gemischt und in einem Brenner gezündet wird zum Erzeugen von Verbrennungsgasen. Die Verbrennungsgase strömen zu einer Turbine, die diesen Energie entzieht zum Antrieb von einer Welle, die den Verdichter antreibt, und zum Erzeugen von Aus­ gangsleistung, um in üblicher Weise beispielsweise einen elek­ trischen Generator anzutreiben. Das Triebwerk wird üblicher­ weise für verlängerte Zeiträume bei einer relativ hohen Basis­ last zum Antreiben des Generators betrieben, um elektrische En­ ergie für beispielsweise ein Versorgungsnetz zu erzeugen. Ab­ gasemissionen aus den Verbrennungsgasen sind deshalb von Bedeu­ tung und Gegenstand von geforderten Grenzwerten.

Genauer gesagt, enthalten Industrie-Gasturbinentriebwerke übli­ cherweise einen Brenner, der für einen Betrieb mit geringen Ab­ gasemissionen ausgelegt ist und insbesondere für einen Betrieb mit wenig NOx. Brenner mit geringen NOx-Emissionen haben übli­ cherweise die Form von mehreren Brennertöpfen oder Brennkam­ mern, die in Umfangrichtung aneinander angrenzend um den Um­ fang des Triebwerks herum angeordnet sind, wobei jeder Brenner mehrere Vormischer aufweist, die mit ihren stromaufwärtigen En­ den verbunden sind. Jeder Vormischer weist üblicherweise einen zylindrischen Kanal auf, in dem koaxial ein rohrförmiger Mit­ telkörper ist, der sich von dem Kanaleinlaß zu dem Kanalauslaß erstreckt, wo er mit einem größeren Dom verbunden ist, der das stromaufwärtige Ende des Brennertopfes und der Brennkammer darin bildet.

Ein Verwirbler mit mehreren auf dem Umfang im Abstand angeord­ neten Schaufeln ist an dem Kanaleinlaß angeordnet, um die ver­ dichtete Luft zu verwirbeln, die von dem Triebwerksverdichter empfangen wird. Stromabwärts von dem Verwirbler sind geeignete Brennstoffinjektoren angeordnet, üblicherweise in der Form ei­ ner Reihe von auf dem Umfang im Abstand angeordneten Brenn­ stoffsprossen, die jeweils mehrere radial im Abstand angeord­ nete Brennstoffinjektionsblenden aufweisen, die üblicherweise Brennstoff, wie beispielsweise gasförmiges Methan, durch den Mittelkörper aufnehmen für ein Ausstoßen in den Vormischerkanal stromaufwärts von dem Brennkammerdom.

Die Brennstoffinjektoren sind axial stromaufwärts von der Brennkammer angeordnet, so daß der Brennstoff und die Luft ge­ nügend Zeit haben, sich zu mischen und vorzuverdampfen. Auf diese Weise unterstützt das vorgemischte und vorverdampfte Brennstoff- und Luftgemisch dessen sauberere Verbrennung in der Brennkammer, um Abgasemissionen zu verringern. Die Brennkammer ist üblicherweise nicht mit Löchern versehen, um die den Vormi­ scher erreichende Luftmenge zu maximieren und deshalb kleinere Mengen an NOx-Emissionen zu erzeugen. Der so entstehende Bren­ ner ist dadurch in der Lage, die geforderten Abgasemissions­ grenzen zu erfüllen.

Mager vorgemischte Brenner mit geringen NOx-Emissionen sind empfindlicher für eine Verbrennungsinstabilität in der Brenn­ kammer, was sich durch dynamische Druckschwingungen bzw. -os­ zillationen der Verbrennungsflamme zeigt, die, wenn sie ge­ eigneter Weise angeregt werden, einen unerwünscht großen aku­ stischen Lärm und eine beschleunigte Ermüdungsbeschädigung an dem Brenner erzeugen können. Die Flammdruckoszillationen können bei verschiedenen Grund- oder vorherrschenden Resonanzfrequen­ zen oder deren Harmonischen höherer Ordnung auftreten. Die Flammdruckoszillationen breiten sich stromaufwärts von der Brennkammer in jeden der Vormischer hinein aus und bewirken ih­ rerseits, daß das darin erzeugte Brennstoff- und Luftgemisch oszilliert oder schwankt.

Beispielsweise variiert bei einer spezifischen Flammdruck- Schwingungsfrequenz der Druck neben den Brennstoffinjektions­ blenden zwischen hohen und niedrigen Werten, die ihrerseits be­ wirken, daß der davon abgegebene Brennstoff in der Strömungs­ rate von hohen bis niedrigen Werten schwankt, so daß das ent­ stehende Brennstoff- und Luftgemisch eine schwankende Brenn­ stoff- und Luftkonzentrationswelle bildet, die dann stromab­ wärts in die Brennkammer strömt, wo sie gezündet wird und wäh­ rend des Verbrennungsprozesses Wärme freisetzt. Wenn diese Wär­ mefreisetzung von der Brennstoffkonzentrationswelle in der Phase an die entsprechende Flammdruck-Schwingungsfrequenz ange­ paßt ist, tritt deren Anregung auf, wodurch die Druckgröße bei Resonanz ansteigt und einen unerwünscht hohen akustischen Lärm und Ermüdungsbeschädigung hervorruft.

Die dynamische Stabilität der Verbrennung kann verbessert wer­ den, indem für eine Fehlanpassung der Phase der Wärmefreiset­ zung von der Brennstoffkonzentrationswelle mit der Phase der Flammdruckoszillation (das heißt, die hohe Brennstoffkonzentra­ tion sollte 180° phasenverschoben zu der hohen Druckoszillation sein) bei einer oder mehreren spezifischen Frequenzen gesorgt wird, um ein Zusammenwirken dazwischen zu entkoppeln und die Flammdruckoszillation dadurch zu dämpfen. Mit der Erfindung sollen weitere Verbesserungen beim dynamischen Entkoppeln des Brennstoffes von der Verbrennungsflammen-Druckoszillation zum Verringern von Brennerinstabilitäten bereitgestellt werden.

Erfindungsgemäß verbessern ein Brenner mit geringen NOx-Emis­ sionen und ein Verfahren die dynamische Stabilität von einer Verbrennungsflamme, die von einem Brennstoff- und Luftgemisch gespeist wird. Der Brenner enthält eine Kammer mit einem Dom an dem einen Ende, mit dem mehrere Vormischer verbunden sind. Je­ der Vormischer enthält einen Kanal mit einem Verwirbler darin zum Verwirbeln von Luft und mehrere Brennstoffinjektoren zum Einspritzen von Brennstoff in die verwirbelte Luft für eine Strömung in die Brennkammer, um darin eine Verbrennungsflamme zu erzeugen. Die Brennstoffinjektoren sind axial abgestuft an unterschiedlichen axialen Abständen von dem Dom, um den Brennstoff von der Verbrennung zu entkoppeln und die dynamische Druckamplitude der Verbrennungsflamme zu verkleinern.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an­ hand der Beschreibung und den Zeichnungen von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung von einem Abschnitt von einem industriellen Gasturbinentriebwerk mit einem wenig NOx-Emissionen aufweisenden Brenner gemäß einem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung, der mit einem Verdichter und einer Turbine in Strömungsverbindung steht.

Fig. 2 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht von einem Abschnitt von einem Brenner, der einen Vormischer gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält.

Fig. 3 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht von einem Abschnitt von einem Brenner, der einen Vormischer gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält.

Ein industrielles Turbinentriebwerk 10 enthält einen vielstufi­ gen Axialverdichter 12, der in einer Reihenströmungsverbindung mit einem geringe NOx-Emissionen aufweisenden Brenner 14 und mit einer ein- oder vielstufigen Turbine 16, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Die Turbine 16 ist mit dem Verdichter 12 durch eine Antriebswelle 18 verbunden, wobei ein Teil von dieser An­ triebswelle 18 davon ausgeht für einen Antrieb von einem elek­ trischen Generator (nicht gezeigt) zum Erzeugen elektrischer Energie. Während des Betriebs gibt der Verdichter 12 verdich­ tete Luft 20 in den Brenner 14 ab, wobei verdichtete Luft 20 mit Brennstoff 22 gemischt und gezündet wird zum Erzeugen von Verbrennungsgasen oder einer Flamme 24, aus denen durch eine Turbine 16 Energie entzogen wird, um eine Welle 18 zum Antrieb des Verdichters 12 in Drehung zu versetzen und auch Ausgangs­ leistung zu erzeugen zum Antrieb des Generators oder einer an­ deren geeigneten externen Last.

In diesem Ausführungsbeispiel enthält der Brenner 14 mehrere auf dem Umfang aneinander angrenzende Brennertöpfe oder Brennkammern 26, die jeweils durch eine rohrförmige Verbren­ nungsauskleidung 26a gebildet sind, die vorzugsweise keine Lö­ cher aufweist, um die den Vormischer erreichende Luftmenge zur Reduzierung von NOx-Emissionen zu maximieren. Jede Brennkammer 26 enthält ferner einen im allgemeinen ebenen Dom 26b an einem stromaufwärtigen Ende und einen Auslaß 26c an einem stromabwär­ tigen Ende. Ein übliches Übergangsstück (nicht gezeigt) verbin­ det die mehreren Brennkammerauslässe, um einen gemeinsamen ringförmigen Ausgang zur Turbine 16 zu bilden.

Mit jedem Brennkammerdom 26b sind mehrere Vormischer verbunden, die mit der Vorzahl 28 bezeichnet sind und die zahlenmäßig bei­ spielsweise vier oder fünf sein können. Da die Vormischer 28 vorzugsweise miteinander identisch sind, abgesehen von dem, was nachfolgend beschrieben wird, werden gleiche Bezugszahlen für ihre identischen Komponenten verwendet. Jeder Vormischer 28 enthält einen rohrförmigen Kanal 30 mit einem Einlaß 30a an seinem stromaufwärtigen Ende, um verdichtete Luft 20 von dem Verdichter 12 aufzunehmen, und einen Auslaß 30b an einem gegen­ überliegenden, stromabwärtigen Ende, der in geeigneter Weise in Strömungsverbindung mit der Brennkammer 26 durch ein entspre­ chendes Loch in dem Dom 26b angeordnet ist. Der Dom 26b hat üb­ licherweise eine größere radiale Ausdehnung als die gemeinsame radiale Ausdehnung der mehreren Vormischer 28, wodurch die Vor­ mischer 28 ihre Ausgangsströmung in das größere Volumen aussto­ ßen können, das durch die Brennkammer 26 gebildet wird. Weiter­ hin bildet der Dom 26b einen stumpfen Körper, der als ein Flammhalter wirkt, von dem sich während des Betriebs die Ver­ brennungsflamme 24 stromabwärts erstreckt.

Jeder Vormischer 28 enthält vorzugsweise einen üblichen Ver­ wirbler 32, der mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Schaufeln aufweist, die in dem Kanal 30 neben dem Kanaleinlaß 30a angeordnet sind, um verdichtete Luft 20, die hindurchgelei­ tet wird, in einer üblicher Weise zu verwirbeln. Ein Brennstof­ finjektor 34 ist vorgesehen, um Brennstoff 22, wie beispiels­ weise Erdgas, in die mehreren Kanäle 30 einzuspritzen zum Mi­ schen mit verwirbelter Luft 20 in den Kanälen 30 für eine Strömung in die Brennkammer 26, um eine Verbrennungsflamme 24 an den Kanalauslässen 30b zu erzeugen.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält je­ der Mischer 28 ferner einen langgestreckten Mittelkörper 36, der koaxial in dem Kanal 30 angeordnet ist und ein stromaufwär­ tiges Ende 36a an dem Kanaleinlaß 30a, der mit der Mitte des Verwirblers 32 verbunden ist und sich durch diese erstreckt, und ein stumpfes oder ebenes stromabwärtiges Ende 36b aufweist, das am Kanalauslaß 30b angeordnet ist. Der Mittelkörper 36 ist radial im Abstand von dem Kanal 30 angeordnet, um dazwischen einen zylindrischen Strömungskanal 38 zu bilden.

Der Brennstoffinjektor 34 weist üblicherweise konventionelle Komponenten auf, wie beispielsweise einen Brennstoffbehälter, Leitungen, Ventile und irgendwelche erforderlichen Pumpen zum Leiten von Brennstoff 22 in die mehreren Mittelkörper 38. In dem Ausführungsbeispiel, bei dem der Brennstoff 22 ein gasför­ miger Brennstoff ist, wie beispielsweise Erdgas, braucht nur Brennstoff 22 in die Mittelkörper 36 ohne irgendwelche zusätz­ liche verdichtete Sprühluft geleitet zu werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der Brennstoffinjektor 34 weiterhin mehrere Brennstoffinjektions­ blenden, die mit der Vorzahl 40 versehen sind und axial im Ab­ stand voneinander zwischen dem Dom 26b und den Verwirblern 32 angeordnet sind. Die Brennstoffinjektionsblenden 40 spritzen Brennstoff 22 an unterschiedlichen axial abgestuften Abständen ein, wie beispielsweise X₁ und X₂, gemessen stromaufwärts von dem Dom 26b, von dem sich die Flamme 24 stromabwärts erstreckt, um den Brennstoff von der Verbrennung zu entkoppeln, um die dy­ namische Druckamplitude der Flamme 24 während des Betriebs zu verkleinern, wie es nachfolgend näher beschrieben wird.

Wie oben ausgeführt wurde, bewirken geringe NOx-Emissionen auf­ weisende Brenner mit Vormischern eine Verbrennungsflamme 24, die während des Betriebs üblicherweise dynamische Druckschwan­ kungen oder -schwingungen hat. Die Verbrennungsflamme 24 ist ein Fluid bzw. Strömungsmittel, das Druckschwankungen bei ver­ schiedenen Frequenzen durchläuft, die üblicherweise eine Grund­ schwingungskomponente und Harmonische bzw. Oberwellen davon enthält.

Um eine geeignete dynamische Stabilität des Brenners 14 während des Betriebs beizubehalten, sollten die verschiedenen Frequen­ zen der Druckschwingung auf relativ kleinen Druckamplituden ge­ halten werden, um Resonanz bei ungeeignet großen Druckamplitu­ den zu vermeiden, die zu einer Brennerinstabilität führen, was sich in einem großen akustischen Lärm oder einer schnellen Er­ müdungsbeschädigung oder beidem ausdrückt. Brennerstabilität wird üblicherweise durch Hinzufügung einer Dämpfung herbeige­ führt, wobei eine mit Löchern versehene Brennerauskleidung ver­ wendet wird, um die akustische Energie zu absorbieren. Dieses Verfahren ist jedoch bei Brennern mit wenig Emissionen uner­ wünscht, da die Löcher Filmkühlluft leiten, die die Verbren­ nungsgase lokal löschen, wodurch CO-Werte erhöht werden, und es wird vorgezogen, die Luftmenge, die den Vormischer erreicht, zu maximieren, um für verminderte NOx-Emissionen zu sorgen.

In einer anderen üblichen Anordnung kann die Wärmefreisetzung von dem Brennstoff- und Luftgemisch, das in die Brennkammer ausgestoßen wird, axial verteilt werden für eine Entkopplung der Wärmefreisetzung von den Druckbäuchen in der Brennkammer. Jedoch ist diese Lösung mechanisch schwieriger zu konstruieren.

Gemäß der Erfindung wird eine axiale Abstufung der Brennstoff- und Luftgemische in den Vormischern 28 herbeigeführt, um die Wärmefreisetzung von den Brennstoff- und Luftgemischen von den Flammdruckschwingungen bzw. -oszillationen in der Brennkammer 26 zu entkoppeln. Die dynamische Entkopplung durch axiale Brennstoffabstufung wird besser verständlich durch ein Verste­ hen der offensichtlichen Theorie von dynamischen Brennkammer­ vorgängen. Während des Betriebs werden Brennstoff 22 und Luft 20 in Vormischern gemischt, um ein Brennstoff-Luftgemisch zu bilden, das durch jeden der Kanalauslässe 30b in die gemeinsame Brennkammer 26 ausgestoßen wird. Das anfängliche Brennstoff- Luftgemisch wird in üblicher Weise gezündet, um eine Verbren­ nungsflamme 24 auszubilden, die danach kontinuierlich das ein­ tretende Brennstoff-Luftgemisch entzündet. Die Verbrennungs­ flamme 24 ist bei verschiedenen Druckschwingungsfrequenzen er­ regbar, zu denen die akustische Grundfrequenz gehört. Bei­ spielsweise kann die akustische Grundfrequenz 50 Hertz (Hz) mit Harmonischen höherer Ordnung bei 100 Hz und 150 Hz betragen.

Jede spezielle Druckschwingungsfrequenz kann sich stromaufwärts in jeden der Vormischer 30 mit einer Geschwindigkeit ausbrei­ ten, die im allgemeinen gleich der Schallgeschwindigkeit minus der durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit der Luftströ­ mung oder der Strömung des Brennstoff-Luftgemisches durch die Strömungskanäle 38 ist. Wenn die Flammdruckschwingung die Brennstoffinjektionsblenden 40 nach einer stromaufwärtigen Zeitverzögerung erreicht, treten die Druckschwingungen mit die­ sen in Wechselwirkung, um die abgegebene Brennstoffmenge zu verändern oder zu streuen. Dementsprechend verhält sich das Brennstoff-Luftgemisch, das stromabwärts von den Blenden 40 entwickelt wird, wie eine Schwingung bei der entsprechenden Flammdruck-Schwingungsfrequenz, wodurch eine Brennstoffkonzen­ trationswelle bewirkt wird. Diese Welle wandert stromabwärts von den Blenden 40 und erreicht die Verbrennungsflamme 24 am Dom 26b nach einer weiteren Zeitverzögerung, die durch Wande­ rung bei der durchschnittlichen Geschwindigkeit der Luftströ­ mung oder Welle durch den Strömungskanal 38 bewirkt wird. Die Welle durchläuft dann eine Verbrennung, die eine zusätzliche Zeitverzögerung von etwa 0,1 bis etwa 1 Millisekunde (ms) hin­ zufügt, bevor Wärme von ihr freigesetzt wird.

Die gesamte Zeitverzögerung relativ zur Brennkammer 26 kann auf einfache Weise in Komponenten berechnet werden, indem zunächst die entsprechende axiale Strecke, wie beispielsweise X₁, durch die Differenz der Schallgeschwindigkeit minus der durchschnitt­ lichen Geschwindigkeit der Vorwärtsströmung durch den Strö­ mungskanal 38 für die stromaufwärtige Ausbreitung der Flamm­ druckschwingung dividiert wird. Als zweites wird die gleiche Strecke X₁ durch die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit für die stromabwärtige Ausbreitung der Brennstoffkonzentrati­ onswelle dividiert; und schließlich wird eine Zeitverzögerung hinzuaddiert für die chemische Freisetzung von Wärme aus dem verbrennenden Brennstoff-Luftgemisch.

Wenn die Zeitverzögerung dann bekannt ist, kann die spezielle axiale Strecke X₁ gewählt werden, um sicherzustellen, daß die Wärmefreisetzung aus der Brennstoffkonzentrationswelle in der Brennkammer 26 phasenverschoben ist zu der Druckschwingung der Flamme 24 bei einer speziellen Frequenz, um die Druckamplitude der Flamme 24 bei dieser Frequenz zu dämpfen. Beispielsweise ist die Periode der Schwingung für eine Frequenz von 50 Hz der Kehrwert davon, der gleich 20 ms ist. Für eine spezielle durch­ schnittliche Strömungsgeschwindigkeit durch die Strömungskanäle 38 kann die zusammengefaßte Zeitverzögerung stromaufwärts von der Flamme 24 zu den Blenden 40 und zurück und einschließlich der Wärmefreisetzungsverzögerung auf einfache Weise berechnet werden, um die erforderliche Strecke X₁ zu ermitteln, die eine Halbperiode von etwa 10 ms hat, um eine Phasenverschiebung von 180° zwischen der Wärmefreisetzung von der Brennstoffkonzentra­ tionswelle und der Flammdruckschwingung sicherzustellen.

Es sollte jedoch beachtet werden, daß die Verweil- oder Konvek­ tionszeit der Brennstoffkonzentrationswelle in dem Vormischer 28 eine geeignete Länge haben sollte, um ein effektives Vormi­ schen und Vorverdampfen für eine Verbrennung mit geringen NOx- Emissionen zu erhalten, aber sie sollte nicht zu lang sein, was das Brennstoff- und Luftgemisch auf eine Selbstzündungstempera­ tur erhitzen würde, die ein unerwünschtes Rückschlagen der Flamme 24 in die Vormischerkanäle 30 unterstützen würde. Das Rückschlagen bzw. Rückzünden ist selbstverständlich uner­ wünscht, weil es den Vormischer 30 beschädigen kann, wobei sowohl der Brennkammerdom 26b als auch die stromabwärtigen Mit­ telkörperenden 36b steil sind, um ein gutes Flammhaltevermögen und eine richtige Verankerung der Flamme 24 während des Be­ triebs sicherzustellen. Dementsprechend ist der spezielle axiale Abstand der Brennstoffinjektionsblenden 40 begrenzt, um eine geeignete Rückschlaggrenze während des Betriebs sicherzustellen, wobei die Blenden 40 vorzugsweise stromabwärts von den Verwirblern 32 angeordnet sind, um die Gesamtlänge der Kanäle 30 möglichst klein zu machen und um auch sicherzustel­ len, daß die Verwirbler 32 nicht selbst ein Hindernis mit Flammhaltevermögen bilden.

Die optimale Vormischerkonfiguration ist von den speziellen Um­ ständen für einen gegebenen Brenner abhängig. Somit wird ein mathematisches Modell benutzt, um die entstehende Phasenbezie­ hung zwischen dem Brennkammerdruck und der Brennstoffkonzentra­ tionswelle zu ermitteln, die an der Flammfront ankommt. Der schwankende Druck P' an der Flammfront wird als eine Sinuswelle angenommen, d. h.

P' = P_csin(ωt)

wobei P_c die dynamische Amplitude ist. Wenn angenommen wird, daß die Brennstoffinjektionsblenden 40 in einem Abstand xf von der Flammfront angeordnet sind, dann wird die an den Blenden 40 ankommende Druckwelle in bezug auf den Kammerdruck um eine Zeit xf/(c-V) verzögert, wobei c die Schallgeschwindigkeit und V die Luftströmungsgeschwindigkeit im Vormischer 28 sind. In ähnli­ cher Weise wird die am Verwirbler 32 ankommende Druckwelle in bezug auf den Kammerdruck um eine Zeit x_a/(c-V) verzögert, wo­ bei x_a der Abstand ist, in dem der Verwirbler von der Flamm­ front angeordnet ist.

Die Masse Strömungsgeschwindigkeiten durch die Injektionsblen­ den 40 und den Verwirbler 32 (mf bzw. m_a) werden nach der Blen­ dengleichung berechnet, so daß

und

wobei Aef die effektive Fläche der Brennstoffinjektionsblenden 40 ist, Aea die effektive Fläche des Verwirblers 32 ist, P_sf der Versorgungsdruck an den Brennstoffinjektionsblenden 40 ist, P_sa der Versorgungsdruck am Verwirbler 32 ist und P_ave der durchschnittliche Druck in dem Brenner ist. Die so erzeugte Brennstoffwelle erreicht dann die Flammfront nach einer weite­ ren Verzögerung von x_f/V aufgrund der Strömungskonvektion durch den Vormischer 28. In ähnlicher Weise kann die Luftströmung als eine Welle beschrieben werden, die durch den Verwirbler 32 er­ zeugt wird und an der Flammfront nach einer weiteren Verzöge­ rung von x_a/V ankommt. Somit kommt die Brennstoffströmung an der Flammfront nach einer Gesamtzeitverzögerung von

an, und die Luftströmung erreicht die Flammfront nach einer Ge­ samtzeitverzögerung von

Indem alles auf den Kammerdruck bezogen wird, sind die Strö­ mungsraten der Flamme gegeben durch

und

Die Brennstoffströmungsrate dividiert durch die Luftströmungs­ rate zu jedem Augenblick definiert dann das augenblickliche Brennstoff/Luft-Verhältnis in bezug auf die Druckwelle in dem Brenner, das gegeben durch

Dieses Brennstoff/Luft-Verhältnis stellt die Brennstoffkonzen­ trationsschwankung dar. Das Modell nimmt ferner an, daß die Wärmefreisetzung Q' proportional zu dem Brennstoff/Luft-Ver­ hältnis für relativ kleine Schwankungen in dem Verhältnis ist:

Eine Verbrennungsverzögerung zwischen der Zeit, zu der die Brennstoffkonzentrationswelle an der Flammfront ankommt, und der Zeit, zu der die Wärmefreisetzung auftritt, kann auch ein­ geschlossen werden; diese Zeitverzögerung liegt üblicherweise in der Größenordnung von 0,1-1,0 msec.

Um den letztendlichen Effekt der Brennstoffkonzentrationswelle auf die Brennerdynamik zu ermitteln, werden Rayleigh's Krite­ rien betrachtet. Dementsprechend wird ein Verstärkungsfaktor berechnet als das Integral von dem schwankenden Druck P' und der schwankenden Wärmefreisetzung Q':

wobei T eine vollständige Periode (Kehrwert der Frequenz) dar­ stellt. Wenn diese Verstärkung positiv ist, gibt es eine resul­ tierende Übertragung von Wärmeenergie in mechanische Energie oder Druck und die Druckschwingung wird verstärkt. Wenn die Verstärkung negativ ist, wird die Schwingung verkleinert als eine Folge der Konzentrationsschwankung. Der tatsächliche Wert der Verstärkung ist willkürlich. Somit können die Druckschwin­ gungen minimiert werden, indem die Verstärkung minimiert wird.

Das Modell wird auf Zustände angewendet, die für einen gegebe­ nen Brenner erwartet werden, um die Konfiguration des Vormi­ schers 28 zu ermitteln, die für eine Brennstoffkonzentrations­ welle sorgt, die zu dem Druck in der Brennkammer 26 phasenver­ schoben ist, um somit Verbrennungsinstabilitäten zu verklei­ nern. Für eine gegebene Verbrennungsanwendung werden die effek­ tiven Flächen der Brennstoffinjektionsblenden 40 und Verwirbler 32 spezifiziert, und das Modell wird verwendet, um optimale Werte für die Abstände x_f und x_a zu ermitteln, in denen diese Elemente von Stellen angeordnet sind, wo die Flamme 24 ausge­ bildet wird.

Betrachtet sei beispielsweise eine Modellvoraussage, bei der ein resultierender Verstärkungsfaktor bei einer Strecke x_f für einen bestimmten Brenner eine vorbestimmte Strecke x_a hat und Verbrennungsinstabilitäten bei Frequenzen von 50 Hz und 100 Hz aufweist. Die Brennstoffinjektionsblenden 40 sollten in einem Abstand von der Flammenfront angeordnet sein, der für relativ kleine Verstärkungen für beide Frequenzen sorgt und somit den Vormischer für beide Frequenzen optimieren würde. Das Modell kann auch in einer iterativen Weise verwendet werden, um opti­ male Werte zu ermitteln, wobei sowohl x_f als auch x_a variabel sind.

Gemäß der Erfindung kann die Entkopplung des Brennstoffes von der Verbrennung weiter verbessert werden durch ein axiales Ab­ stufen der Brennstoff- und Luftgemische aus den Blenden 40 pha­ senverschoben zueinander, um die Amplitude der entsprechenden Brennstoffkonzentrationswellen zu verkleinern, die von den Vor­ mischern 28 abgegeben werden, um die dynamische Stabilität der Flamme 24 zusätzlich zu verbessern. Durch axiales Verteilen des injizierten Brennstoffes in den Vormischern 28 während des Be­ triebs kann die entsprechende Stärke der entwickelten Brenn­ stoffinjektionswellen signifikant verkleinert werden, und die optimale Konfiguration kann sichtbar zur Folge haben, daß sich die verschiedenen Brennstoffquellen gegeneinander aufheben, was eine im wesentlichen konstante Brennstoffkonzentration, die die Vormischer 28 verläßt, zur Folge hat, die deshalb nicht in der Lage sein würde, die Druckschwingungen der Verbrennungsflamme 24 zu speisen oder anzuregen.

Die Erfindung kann in verschiedenen Formen implementiert wer­ den. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ent­ hält der Brennstoffinjektor 34 vorzugsweise eine Anzahl erster Brennstoffinjektionsblenden 40a, die in dem Kanal 30 von einem ersten Vormischer 28a an einem gemeinsamen ersten axialen Ab­ stand X₁ stromaufwärts von dem Dom 26b und dem Kanalauslaß 30b angeordnet sind, wobei der Strömungskanal 38 vorzugsweise da­ zwischen keine Behinderung aufweist, um jedes unerwünschte Flammhaltevermögen in diesem Bereich zu vermeiden. Der Brenn­ stoffinjektor 34 enthält auch eine Anzahl zweiter Brennstoffin­ jektionsblenden 40b, die in dem Kanal 30 von einem zweiten Vor­ mischer 28b in einem zweiten gemeinsamen axialen Abstand X₂ stromaufwärts von dem Dom 26b und dem entsprechenden Kanalaus­ laß 30b angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten Blenden 40a und 40b in einem vorbestimmten axialen Abstand S zueinander angeordnet sind. Der Strömungskanal 38 des zweiten Vormischers 28b ist in ähnlicher Weise vorzugsweise ohne Hindernis von den zweiten Blenden 40b stromabwärts zum Kanalauslaß 30b, um jedes Flammhaltevermögen in diesem Bereich zu vermeiden.

Auf diese Weise wird eine axiale Abstufung des Brennstoffes 22 in dem entsprechenden Paar von Vormischern 28 bewirkt, wobei entsprechende Strömungskanäle 38 von sowohl den ersten als auch zweiten Vormischern 28a und 28b ohne Hindernis sind von ent­ sprechenden ersten und zweiten Blenden 40a und 40b stromabwärts zum Dom 26b, um jede Rückschlagmöglichkeit zu eliminieren. Der Brennstoff 22 kann deshalb von entsprechenden ersten und zwei­ ten Blenden 40a und 40b ohne Begrenzung des Prozentsatzes der gesamten Brennstoffströmung abgegeben werden, wobei eine glei­ che Strömungsrate des Brennstoffes für sowohl die ersten als auch zweiten Blenden 40a und 40b wünschenswert ist.

Wie oben angegeben wurde, lehrt die Theorie der Wirkungsweise, daß die Druckschwingung der Flamme 24 bei jeder speziellen Fre­ quenz sich in jedem der Vormischer 28 stromaufwärts ausbreitet und entsprechend verzögert wird aufgrund der Differenz in den axialen Abständen X₁ und X₂. Die stromaufwärtige Ausbreitung der Flammdruckschwingung erreicht entsprechende erste und zweite Blenden 40a und 40b und verändert ihrerseits die Menge an Brennstoff 22, der von ihnen abgegeben wird, um entspre­ chende erste bzw. zweite Brennstoffkonzentrationswellen zu er­ zeugen. Diese zwei Wellen schwingen bzw. oszillieren in Verbin­ dung mit der Flammdruckschwingung bei der entsprechenden Fre­ quenz. Indem der axiale Abstand S zwischen den ersten und zweiten Blenden 40a und 40b in geeigneter Weise gewählt wird, können die davon abgegebenen ersten und zweiten Brennstoffkon­ zentrationswellen veranlaßt werden, zueinander phasenverschoben zu sein, um ihre gemeinsame Amplitude zu verkleinern, wenn sie gleichzeitig in die Kammer 26 ausgestoßen werden, um ihrerseits die Größe der Flammdruckschwingung zu verkleinern, um eine dy­ namische Druckinstabilität in der Kammer 26 zu verringern. Auf diese Weise wird der von den Vormischern 28a und 28b abgegebene Brennstoff wenigstens teilweise von der Verbrennungsflamme 24 entkoppelt, um die dynamische Stabilität der Flamme 24 in der Brennkammer 26 zu verbessern.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Flammdruck­ schwingung bei einer interessierenden speziellen Frequenz, wie beispielsweise der Anregungsgrundfrequenz, eine entsprechende Periode, die einfach der Kehrwert der Frequenz ist, und diese ersten und zweiten Brennstoffkonzentrationswellen wandern stromabwärts durch entsprechende Vormischer 28a und 28b mit ei­ ner Geschwindigkeit, die im allgemeinen gleich der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der hindurchtretenden Luft 20 ist. Der axiale Abstand S ist vorzugsweise so gewählt, daß er etwa gleich dem Produkt von einer Halbperiode und der Strömungsge­ schwindigkeit ist, um eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den ersten und zweiten Brennstoffkonzentrationswellen zu bewir­ ken.

Beispielsweise ist für eine Flammdruck-Schwingungsfrequenz von 150 Hz die entsprechende Periode 6, 6 ms. Eine Hälfte von dieser Periode ist 3, 3 ms. Wenn als Beispiel die Luftströmungsge­ schwindigkeit durch die Strömungskanäle 38 etwa 45 m (150 Fuß) pro Sekunde beträgt, ergibt sich der entstehende Wert für den axialen Abstand S zu etwa 15 cm (6 Zoll). Selbstverständlich kann diese axiale Abstandsdifferenz S durch verschiedene Kombi­ nationen der einzelnen ersten und zweiten axialen Abstände X₁ und X₂ bewirkt werden. In einem Ausführungsbeispiel kann der erste axiale Abstand X₁ etwa 10 cm betragen, wogegen der zweite axiale Abstand X₂ etwa 25 cm betragen kann, um als Beispiel die Differenz von 15 cm dazwischen auszubilden.

Einer der ersten und zweiten axialen Abstände X₁ und X₂ kann so ermittelt werden, damit zusätzlich gewährleistet wird, daß we­ nigstens eine der ersten und zweiten Brennstoffkonzentrations­ wellen selbst phasenverschoben ist zu der Flammdruckschwingung bei der entsprechenden Frequenz, um für eine verbesserte Stabi­ lität von ihrer Kombination zu sorgen. Die ersten und zweiten axialen Abstände X₁ und X₂ sollten auch gemäß der üblichen Pra­ xis ermittelt werden, um sicherzustellen, daß eine wirksame Größe an Vormischung und Vorverdampfung in den entsprechenden ersten und zweiten Vormischern 28a und 28b ohne Gefahr eines Rückschlagens bewirkt wird. In einem bevorzugten Ausführungs­ beispiel sollte die Brennstoffinjektion stromabwärts von den entsprechenden Verwirblern 32 erfolgen, um sicherzustellen, daß die Verwirbler 32 keine Flammhalterkomponente bilden, die ein Rückschlagen in einzelne Vormischer 28 unterstützen könnte.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der Brennstoffinjektor 34 vorzugsweise auch Sätze von auf dem Um­ fang im Abstand angeordneten ersten und zweiten Brennstoff­ sprossen 42a und 42b, die sich von entsprechenden Mittelkörpern 36 radial nach außen erstrecken. Die ersten Blenden 40a sind in ersten Sprossen 42a radial im Abstand voneinander in jeder der Sprossen angeordnet, wobei die zweiten Blenden 40b in ähnlicher Weise in zweiten Sprossen 42b mit radialem Abstand voneinander in jeder der Sprossen angeordnet sind. Auf diese Weise wird der Brennstoff recht gleichmäßig verteilt sowohl in radialer Rich­ tung als auch in Umfangsrichtung über den entsprechenden Strö­ mungskanälen 38. Aber für die axiale Abstufung des Brennstoffes an den entsprechenden ersten und zweiten axialen Abständen X₁ und X₂ können die Vormischer 28 ansonsten konventionell sein. In konventionellen Brennern sind die Vormischer üblicherweise alle gleich, wobei die entsprechenden Brennstoffsprossen in dem gleichen oder identischen axialen Abstand von dem Dom 26b ange­ ordnet sind ohne Bezug auf die Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden erzeugten Brennstoffkonzentrationswellen und ohne Beziehung auf die Phase der entstehenden Wärmefreisetzung relativ zur Phase der Verbrennungsflammenschwingung bei speziellen Frequenzen. Konventionelle Brennstoffsprossen sind üblicherweise identisch konfiguriert und angeordnet, um das Vormischen und Vorverdampfen zu maximieren, um Abgasemissionen aus der Verbrennungsflamme zu minimieren.

Dementsprechend kann durch Ausbildung einer relativ einfachen axialen Abstufung des Brennstoffes durch die ersten und zweiten Brennstoffblenden 40a und 40b eine verbesserte dynamische Bren­ nerstabilität erhalten werden, während trotzdem geringe NOx- Emissionen erhalten werden ohne zusätzliche Gefahr für ein un­ erwünscht es Rückschlagen oder Rückzünden in den einzelnen Vor­ mischern 28.

Wie oben ausgeführt wurde, enthält die Brennstoffkonzentrati­ onswelle, die von jedem der Vormischer 28 abgegeben wird, sowohl den Brennstoff als auch die Luft als ihre Komponenten. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Brennstoff selbst axial abgestuft zum Herbeiführen der ge­ wünschten entsprechenden Brennstoffkonzentrationswellen. In ei­ nem anderen Ausführungsbeispiel wird der Brennstoff in einer gemeinsamen axialen Ebene eingespritzt, wobei eine axiale Ab­ stufung statt dessen durch Abstufen der Luft bereitgestellt wird, was durch eine neue Positionierung der Verwirbler 32 re­ lativ zueinander erreicht werden kann. Demzufolge kann eine axiale Abstufung dadurch herbeigeführt werden, daß die Luft und/oder der Brennstoff in den Vormischern 28 abgestuft bzw. stufenförmig ausgebildet wird, um die Vorteile der Erfindung zu erreichen.

In Fig. 2 ist schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem eine axiale Brennstoffabstufung in jedem oder einem gemeinsamen dritten Vormischer herbeige­ führt wird, der mit 28c bezeichnet ist. In diesem Ausführungs­ beispiel ist jeder der dritten Vormischer 28c identisch zuein­ ander und gibt die Brennstoff-Luftgemische in die gemeinsame Brennkammer 26 ab. Dieses Ausführungsbeispiel kann im wesentli­ chen identisch zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei­ spiel sein, abgesehen davon, daß die ersten und zweiten Brennstoffsprossen 42a und 42b und die entsprechenden ersten und zweiten Brennstoffinjektionsblenden 40a und 40b gemeinsam in dem gleichen Strömungskanal 38 angeordnet sind, um den Brennstoff an zwei axial im Abstand angeordneten Ebenen darin abzugeben, die durch die entsprechenden ersten und zweiten axialen Abstände X₁ und X₂ bezeichnet sind, wobei dazwischen die axiale Abstandsdifferenz S besteht.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die zweite Sprosse 42b und die zweiten Blenden 40b darin axial zwischen dem Verwirbler 32 und den ersten Sprossen 42a mit den ersten Blenden 40a darin angeordnet. Wenn der dritte Vormischer 28c die gleichen Be­ triebsbedingungen hat, wie die oben beschriebenen ersten und zweiten Vormischer 28a und 28b, können die gleichen axialen Ab­ stände verwendet werden, d. h. der erste axiale Abstand X₁ be­ trägt etwa 10 cm, der zweite axiale Abstand X₂ beträgt etwa 25 cm und der axiale Abstand S dazwischen beträgt etwa 15 cm zum Dämpfen der Verbrennungsflammenschwingung bei beispielsweise der Frequenz von 150 Hz.

Die ersten Blenden 40a bewirken die gleiche Brennstoffkonzen­ trationswelle, die sich stromabwärts davon ausbreitet, und die zweiten Blenden 40b bewirken die zweite Brennstoffkonzentrati­ onswelle, die sich stromabwärts davon ausbreitet, wobei sich die zweite Welle mit der ersten Konzentrationswelle mischt und die zwei Wellen eine kombinierte Brennstoffkonzentrationswelle bewirken, die in die Brennkammer 26 abgegeben wird, um darin eine Verbrennung zu erfahren. Wie oben beschrieben wurde, kön­ nen die ersten und zweiten Blenden 40a und 40b in Stufen ange­ ordnet sein relativ zueinander in einem axialen Abstand S, so daß die ersten und zweiten Wellen in bezug zueinander phasen­ verschoben sind, wobei die entstehende kombinierte Brennstoff­ konzentrationswelle, die dadurch erzeugt wird, eine wesentlich verkleinerte Druckänderung und eine Größe mit einer verbesser­ ten Konstanz hat. In dem Maße, wie die kombinierte Brennstoff­ konzentrationswelle immer noch eine periodische Schwankung be­ wirkt, kann entweder der erste oder zweite axiale Abstand X₁ oder X₂ auch dazu verwendet werden, sicherzustellen, daß die Wärmefreisetzung von der kombinierten Brennstoffkonzentrations­ welle ebenfalls phasenverschoben ist zu der Flammdruckschwin­ gung, um den dynamischen Druck in der Flamme 24 bei der ent­ sprechenden einzelnen Frequenz weiter zu senken.

In diesem Ausführungsbeispiel sind jedoch die ersten Brenn­ stoffsprossen 42a zwischen den zweiten Brennstoffsprossen 42b und dem Kanalauslaß 30b angeordnet und bilden deshalb eine Struktur, die für ein Flammenhalten sorgen kann. Deshalb sollte der zweite axiale Abstand X₂ in geeigneter Weise gewählt sein, um sicherzustellen, daß die Vorverdampfung des Brennstoffes stromabwärts von den zweiten Brennstoff­ sprossen 42b sich nicht in unerwünschter Weise der Selbstzün­ dungstemperatur nähert, was ein Rückschlagen bzw. Rückzünden der Flamme 24 stromaufwärts im Kanal 30 mit einem Flammenhalten an den ersten Brennstoffsprossen 42a bewirken könnte. Dieses Rückschlagen bzw. Rückzünden würde den Vormischer beschädigen, und deshalb sollte eine geeignete Rückzündungs-Sicherheits­ grenze eingehalten werden, indem der zweite axiale Abstand X₂ begrenzt wird oder indem der Prozentsatz an Brennstoffströmung zu den stromaufwärtigen zweiten Brennstoffblenden 40b begrenzt wird, um für eine magerere Brennstoffkonzentrationswelle stromabwärts davon zu sorgen.

Obwohl vorstehend zwei unterschiedliche axiale Ebenen zum axia­ len Abstufen der Brennstoffinjektion beschrieben worden sind, können gemäß der Erfindung zusätzliche Ebenen der axialen Brennstoffabstufung verwendet werden, um viele dynamische Ver­ brennungsfrequenzen zu dämpfen oder zu unterdrücken. Jedoch be­ wirkt jede der Brennstoffsprossen 42a und 42b, die zum Einfüh­ ren einer entsprechenden Ebene der Brennstoffinjektion verwen­ det werden, einen unerwünschten Druckabfall und bewirkt ein Strömungshindernis in entsprechenden Strömungskanälen 38, was aus den oben angegebenen Gründen unerwünscht ist.

Dementsprechend ist in Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das als Beispiel einen vierten Vor­ mischer 28d aufweist, der ansonsten identisch mit den vorherigen Vormischern ist, außer daß keine Brennstoffsprossen verwendet werden und statt dessen erste und zweite Brennstof­ finjektionsblenden 40a und 40b bündig in der äußeren Oberfläche des Mittelkörpers 36 in jedem der Vormischer in gemeinsamen Strömungskanälen 38 angeordnet sind, um für eine ungehinderte Strömung zur Brennkammer 26 zu sorgen. Auf diese Weise kann eine axiale Brennstoffabstufung an vielen axialen Stellen be­ wirkt werden, wobei viele Brennstoffkonzentrationswellen da­ durch erzeugt werden, um den dynamischen Druck der Verbren­ nungsflamme 24 bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen zu senken.

Der Mittelkörper 36 kann in diesem Ausführungsbeispiel zusätz­ liche oder dritte Brennstoffinjektionsblenden 40c aufweisen, die in verschiedenen axialen Ebenen zwischen ersten und zweiten Blenden 40a und 40b angeordnet sind, um Brennstoff 22 axial und in Umfangsrichtung in den Strömungskanal 28 zu verteilen, um gleichzeitig die dynamische Druckamplitude bei vielen Flamm­ druck-Schwingungsfrequenzen zu senken. Der Brennstoff 22 kann von dem Mittelkörper 36 radial nach außen in Richtung auf die Innenfläche des Kanals 30 verteilt werden, indem die Brenn­ stoffstrahlgeschwindigkeit und das Moment in geeigneter Weise verändert werden, damit die Brennstoffstrahlen, die von den verschiedenen Blenden 40a, 40b und 40c abgegeben werden, den Strömungskanal 38 zu verschiedenen radialen Stellen innerhalb der hindurchströmenden Fluidströmung durchdringen. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, können die Blenden 40a-c einen zunehmenden Durchmesser im Mittelkörper 36 in stromabwärtiger Richtung ha­ ben, so daß stromaufwärtige Blenden 40b Brennstoff 22 mit der radial kleinsten Ausdehnung injizieren, wobei die radiale Durchdringung für die zunehmend größer werdenden Blenden stromabwärts bis zu den ersten Blenden 40a ansteigt, die den größten Durchmesser haben. Das Blendenmuster und der Durchmes­ ser der Blenden kann nach Wunsch geändert werden.

Dieses Verfahren des Verteilens der Brennstoffinjektion auf viele axiale Positionen hat einen Vorteil gegenüber dem Verfah­ ren, die Brennstoffinjektoren an speziellen Positionen anzuordnen, um die phasenverschobenen Brennstoffkonzentrations­ wellen hervorzurufen, wie es oben beschrieben wurde. Eine ein­ zige Ebene der Brennstoffinjektion kann speziell positioniert sein zum Dämpfen einer speziellen Schwingungsfrequenz der Ver­ brennungsflamme 24, wie es oben beschrieben wurde. Eine einzige Ebene der Brennstoffinjektion kann auch viele Frequenzen dämp­ fen, wenn sie in geeigneter Weise nahe beieinander liegen, so daß die Brennstoffkonzentrationswellen mit jeder dieser Fre­ quenzen wenigstens teilweise phasenverschoben sind. Die Verwen­ dung von zwei axialen Brennstoffinjektionsebenen kann eine oder mehr Schwingungsfrequenzen effektiver dämpfen. Die Verwendung von diskreten axialen Injektionsebenen ist durch praktische Überlegungen eingeschränkt, wie es oben an gegeben wurde, und deshalb kann es sein, daß sie nicht effektiv ist zum Dampfen von allen interessierenden Oberwellenfrequenzen.

Jedoch sorgt das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel für eine praktische Lösung zum Injizieren des Brennstoffes in vielen axialen Ebenen ohne Behinderung des Strömungskanals 38, und deshalb ist es besser in der Lage, einen größeren Bereich von Oberwellenfrequenzen der Schwingung der Flamme 24 während des Betriebs zu dämpfen. Eine axiale Verteilung der Brennstof­ finjektion auf diese Weise kann auch nützlich sein zum Hervor­ rufen von Brennstoffkonzentrationswellen, die zu dem dynami­ schen Flammendruck phasenverschoben ist, indem die Bandbreite der Effektivität vergrößert wird.

Die verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sor­ gen für relativ einfache und praktische Mittel zum Einführen einer axialen Brennstoffinjektion an speziellen axialen Stellen innerhalb der Vormischer 28, um die Amplitudenänderung der von den Vormischern abgegebenen Brennstoffkonzentrationswellen für eine Verbesserung der Brennerstabilität zu dämpfen. Weiterhin können die Brennstoffkonzentrationswellen auch in die Brennkam­ mer 26 abgegeben werden, um sicherzustellen, daß die Wärmefrei­ setzung davon zu der Verbrennungsflamme phasenverschoben ist, um deren dynamische Antwort weiter zu dämpfen.

Claims (29)

1. Brenner enthaltend:
eine Brennkammer (26) mit einem Dom (26b) an einem stromaufwärtigen Ende und einem Auslaß an einem stromabwärtigen Ende,
mehrere Vormischer (28), die mit dem Brennerdom verbun­ den sind und die jeweils einen Kanal (30) mit einem Ka­ naleinlaß an dem einen Ende zum Aufnehmen von verdich­ teter Luft, einen Kanalauslaß an einem gegenüberliegen­ den Ende, das in Strömungsverbindung mit der Brennkam­ mer angeordnet ist, und einen Verwirbler (32) aufwei­ sen, der in dem Kanal neben dem Kanaleinlaß angeordnet ist zum Verwirbeln von hindurchgeleiteter Luft, und
eine Einrichtung (34) zum Injizieren von Brennstoff in jeden der Vormischerkanäle (30) zum Mischen mit der Luft in den Kanälen für eine Strömung in die Brennkam­ mer (26) zur Erzeugung einer Verbrennungsflamme (24) an jedem der Kanalauslässe, wobei die Brennstoffinjekti­ onseinrichtung (34) mehrere Brennstoffinjektionsblenden (40) aufweist, die zwischen dem Dom und den Verwirblern axial im Abstand voneinander angeordnet sind zum Ein­ spritzen von Brennstoff an unterschiedlichen axial ab­ gestuften Abständen von dem Dom, um den Brennstoff von der Verbrennung zu entkoppeln und die dynamische Druckamplitude der Verbrennungsflamme zu verkleinern.

2. Brenner nach Anspruch 1, wobei:
die Vormischer (28) jeweils einen Mittelkörper (36) aufweisen, der koaxial in dem Kanal (30) angeordnet ist und ein stromaufwärtiges Ende an dem Kanaleinlaß, der mit dem Verwirbler (32) verbunden ist, und ein steiles stromabwärtiges Ende an dem Kanalauslaß aufweist und radial innen von dem Kanal im Abstand angeordnet ist, um dazwischen einen Strömungskanal (38) zu bilden, und die Brennstoffinjektionseinrichtung (34) ferner mehrere erste Brennstoffinjektionsblenden (40a), die in einem ersten Vormischerkanal in einem gemeinsamen ersten axialen Abstand (X₁) stromaufwärts von dem Dom angeord­ net sind, wobei der Strömungskanal dazwischen ohne Hin­ dernis ist, und mehrere zweite Brennstoffinjektions­ blenden (40b) aufweist, die in einem zweiten Vormi­ scherkanal in einem gemeinsamen zweiten axialen Abstand (X₂) von dem Dom angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten Blenden (40a, 40b) in einem axialen Abstand (S) voneinander angeordnet sind.

3. Brenner nach Anspruch 2, wobei:
die Flamme (24) bei einer Druckschwingung anregbar ist, die sich stromaufwärts in die Vormischer (28) ausbrei­ tet, damit die Brennstoff- und Luftgemische aus den er­ sten und zweiten Blenden (40a, 40b) als erste bzw. zweite Brennstoffkonzentrationswellen schwingen, und der axiale Abstand (S) zwischen den ersten und zweiten Blenden (40a, 40) bewirkt, daß die ersten und zweiten Wellen phasenverschoben zueinander sind, um die Größe der Flammdruckschwingung zu verkleinern und eine dyna­ mische Druckinstabilität in der Brennkammer zu verrin­ gern.

4. Brenner nach Anspruch 3, wobei die axiale Abstufung durch zwei Vormischer (28) ausgebildet wird, wobei die ersten Blenden (40a) in einem ersten Vormischer (28a) angeordnet sind und die zweiten Blenden (40b) in einem zweiten Vormischer (28b) angeordnet sind.

5. Brenner nach Anspruch 4, wobei die entsprechenden Strö­ mungskanäle (38) von sowohl den ersten als auch zweiten Vormischern (28) ohne Hindernis sind von den ersten und zweiten Blenden (40a, 40b) bis zu dem Dom (26b).

6. Brenner nach Anspruch 4, wobei die Flammdruckschwingung eine Periode hat, die ersten und zweiten Wellen mit ei­ ner Geschwindigkeit durch die Strömungskanäle (38) wan­ dern und der axiale Abstand (S) etwa gleich dem Produkt von einer halben Periode und der Geschwindigkeit ist.

7. Brenner nach Anspruch 4, wobei die Brennstoffinjekti­ onseinrichtung (34) entsprechende Sätze von auf dem Um­ fang im Abstand angeordneten ersten und zweiten Brenn­ stoffsprossen (42) aufweist, die sich von den Mittel­ körpern (36) radial nach außen erstrecken, wobei die ersten Blenden (40a) in den ersten Sprossen (42a) und die zweiten Blenden (40b) in den zweiten Sprossen (42b) angeordnet sind und den Brennstoff in radialer Richtung und in Umfangsrichtung über die Strömungskanäle vertei­ len.

8. Brenner nach Anspruch 3, wobei die axiale Abstufung in einem gemeinsamen Mischer herbeigeführt ist und sowohl die ersten als auch zweiten Blenden (40a, 40b) in Strö­ mungsverbindung mit dem Strömungskanal angeordnet sind zum Abgeben von Brennstoff an zwei axial im Abstand an­ geordneten Ebenen darin.

9. Brenner nach Anspruch 8, wobei die Flammdruckschwingung eine Periode hat, die ersten und zweiten Wellen mit ei­ ner Geschwindigkeit durch die Strömungskanäle wandern und der axiale Abstand (S) etwa gleich dem Produkt von einer halben Periode und der Geschwindigkeit ist.

10. Brenner nach Anspruch 8, wobei die ersten und zweiten Wellen eine kombinierte Brennstoffkonzentrationswelle bilden, die in die Brennkammer abgegeben wird, wobei die ersten und zweiten axialen Abstände (X₁, X₂) bewir­ ken, daß die kombinierten Wellen eine Verbrennung durchlaufen zur Freisetzung von Wärme, die zu der Flammdruckschwingung phasenverschoben ist.

11. Brenner nach Anspruch 8, wobei die zweiten Blenden (40b) axial zwischen dem Verwirbler (32) und den ersten Blenden (40a) angeordnet sind.

12. Brenner nach Anspruch 11, wobei der zweite axiale Ab­ stand (X₂) die Funktion hat, die zweite Welle unter ei­ ner Rückschlag- bzw. Rückzündungstemperatur an den er­ sten Blenden (40a) zu halten, um einen Rückschlag bzw. ein Rückzünden an dieser Stelle zu verhindern.

13. Brenner nach Anspruch 12, wobei die Brennstoffinjekti­ onseinrichtung (34) entsprechende Sätze von auf dem Um­ fang im Abstand angeordneten ersten und zweiten Brenn­ stoffsprossen (42) aufweist, die sich von dem gemeinsa­ men Mittelkörper (36) radial nach außen erstrecken, wo­ bei die ersten Blenden (40a) in den ersten Sprossen (42a) angeordnet sind und die zweiten Blenden (40b) in den zweiten Sprossen (42b) angeordnet sind zum Vertei­ len des Brennstoffes in radialer Richtung und in Um­ fangsrichtung über den gemeinsamen Strömungskanal.

14. Brenner nach Anspruch 8, wobei die ersten und zweiten Blenden (40a, 40b) bündig in dem Mittelkörper (36) ange­ ordnet sind zur Ausbildung einer ungehinderten Strömung in die Brennkammer (26).

15. Brenner nach Anspruch 14, wobei zusätzliche Brennstof­ finjektionsblenden (40c) axial zwischen den ersten und zweiten Blenden (40a, 40b) angeordnet sind, um den Brennstoff in axialer Richtung und in Umfangsrichtung in den Strömungskanal zu verteilen für eine gleichzei­ tige Verkleinerung der dynamischen Druckamplitude bei vielen Flammdruck-Schwingungsfrequenzen.

16. Verfahren zum dynamischen Stabilisieren einer Verbren­ nung in einer Brennkammer mit mehreren Luft- und Brenn­ stoffvormischern, die in Strömungsverbindung damit an­ geordnet sind, enthaltend:
Mischen des Brennstoffes und der Luft in den Vormi­ schern, um Brennstoff- und Luftgemische zu bilden,
Abgeben der Mischungen in die Brennkammer,
Verbrennen der Gemische in der Brennkammer, um eine Flamme zu bilden, die bei einer Druckschwingung anreg­ bar ist, die sich stromaufwärts in die Vormischer aus­ breitet, damit die Gemische als Brennstoffkonzentrati­ onswellen schwingen, und
axiales Abstufen der Brennstoff- und Luftgemische in den Vormischern, so daß entsprechende Brennstoffkonzen­ trationswellen zueinander phasenverschoben sind zum Entkoppeln des Brennstoffes von der Verbrennung, um die Größe der Flammdruckschwingung und die dynamische Druckinstabilität in der Brennkammer zu verkleinern.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die axiale Abstufung dadurch ausgebildet wird, daß die Luft und/oder der Brennstoff in den Vormischern abgestuft wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die axiale Abstufung zwischen Paaren von Vormischern ausgebildet wird, wobei eine erste Brennstoffkonzentrationswelle in einem er­ sten Vormischer und eine zweite Brennstoffkonzentrati­ onswelle in einem zweiten Vormischer ausgebildet wird, wobei die ersten und zweiten Wellen gleichzeitig in die Brennkammer abgegeben werden, um die dynamische Druckinstabilität darin zu verkleinern.

19. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die axiale Abstufung in jedem der Vormischer herbeigeführt wird und wenig­ stens zwei Brennstoffkonzentrationswellen darin ausge­ bildet werden zum Senken des dynamischen Druckes an ei­ ner einzigen Frequenz.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die axiale Abstufung an vielen axialen Stellen mit vielen Brennstoffkonzen­ trationswellen herbeigeführt wird zum Senken des dyna­ mischen Druckes an mehreren unterschiedlichen Frequen­ zen.

21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die zwei Wellen eine kombinierte Brennstoffkonzentrationswelle bilden, die für eine Verbrennung in die Brennkammer ausgestoßen wird, um Wärme phasenverschoben zu der Flammdruck­ schwingung freizusetzen.

22. Vormischer für eine Gasturbinen-Brennkammer, enthal­ tend:
einen Kanal (30), der mit der Brennkammer (26) in Strö­ mungsverbindung bringbar ist und einen Einlaß (30a) an dem einen Ende zum Aufnehmen von verdichteter Luft und einen Auslaß (30b) an einem gegenüberliegenden Ende, das in Strömungsverbindung mit der Brennkammer (26) an­ geordnet ist, und einen Verwirbler (32) aufweist, der in dem Kanal (30) neben dem Kanaleinlaß (30a) angeord­ net ist zum Verwirbeln der hindurchgeleiteten Luft, und einen Brennstoffinjektor (34), der in dem Kanal (30) angeordnet ist zum Einspritzen von Brennstoff in den Vormischerkanal (30) zum Mischen mit der Luft in dem Kanal für eine Strömung in die Brennkammer (26), um eine Verbrennungsflamme (24) an dem Kanalauslaß (30b) zu erzeugen, wobei der Verwirbler (32) und der Brenn­ stoffinjektor (34) in entsprechenden Abständen von dem Auslaß angeordnet sind derart, daß eine Wärmefreiset­ zung von der Brennstoffkonzentrationswelle, die in der Brennkammer aus der Verbrennung des Brennstoff- und Luftgemisches entwickelt ist, phasenverschoben ist zu einer Druckschwingung der Flamme in der Brennkammer.

23. Vormischer nach Anspruch 22, wobei der Brennstoffinjek­ tor wenigstens eine Brennstoffsprosse (42) aufweist.

24. Brenner enthaltend:
eine Brennkammer (26) mit einem stromaufwärtigen Ende,
einen Vormischer (28), der mit dem stromaufwärtigen Ende der Brennkammer verbunden ist und einen Kanal (30) mit einem Einlaß an dem einen Ende zum Aufnehmen von verdichteter Luft und einen Auslaß an einem gegenüberliegenden Ende aufweist, das in Strömungsver­ bindung mit der Brennkammer angeordnet ist,
eine Einrichtung (34) zum Einspritzen von Brennstoff in den Vormischerkanal (30) in einem ersten Abstand strom­ aufwärts von dem Kanalausgang zum Mischen mit der Luft in dem Kanal für eine Strömung in die Brennkammer, um eine Verbrennungsflamme an dem Kanalausgang mit einer Druckschwingung zu erzeugen, die sich stromaufwärts in den Kanal bis zu der Brennstoffinjektionseinrichtung (34) ausbreitet und den Brennstoff und die Luft in dem Kanal als eine Brennstoffkonzentrationswelle in Schwin­ gung versetzt, und
wobei der erste Abstand so gewählt ist, daß die Brenn­ stoffkonzentrationswelle an dem Kanalausgang ankommt und eine Verbrennung durchläuft, um phasenverschoben zu der Flammdruckschwingung Wärme freizusetzen.

25. Brenner nach Anspruch 24, wobei der erste Abstand so gewählt ist, daß die Wärmefreisetzung 180° phasenver­ schoben zu der Flammdruckschwingung ist.

26. Brenner nach Anspruch 24, wobei die Flammdruckschwin­ gung an zwei diskreten Frequenzen auftritt und der er­ ste Abstand so gewählt ist, daß die Wärmefreisetzung phasenverschoben zu der Flammdruckschwingung bei beiden Frequenzen ist.

27. Brenner nach Anspruch 24, wobei der Lufteinlaß des Ka­ nals axial stromaufwärts von dem Kanalausgang in einem zweiten Abstand angeordnet ist, der größer als der er­ ste Abstand ist und in Verbindung damit gewählt ist zum Erzielen der phasenverschobenen Wärmefreisetzung und Flammdruckschwingung.

28. Verfahren zum dynamischen Stabilisieren der Verbrennung in einer Brennkammer mit einem Luft- und Brennstoffvor­ mischer, der in Strömungsverbindung damit angeordnet ist, enthaltend die Schritte:
Mischen des Brennstoffes und der Luft in dem Vormi­ scher, zur Bildung eines Brennstoff- und Luftgemisches,
Abgeben des Gemisches in die Brennkammer,
Verbrennen des Gemisches in der Brennkammer zur Bildung einer Flamme mit einer Druckschwingung, die sich strom­ aufwärts in den Vormischer ausbreitet und das Gemisch als eine Brennstoffkonzentrationswelle in Schwingung versetzt, und
zeitliches Verzögern der Verbrennungswärmefreisetzung der Welle in dem Vormischer phasenverschoben zu der Flammdruckschwingung in der Kammer, um die dynamische Druckinstabilität in der Kammer zu verkleinern.

29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Schritt des zeit­ lichen Verzögerns dadurch erreicht wird, daß der Brenn­ stoff in die Luft im Vormischer an einem axialen Ab­ stand stromaufwärts von der Flamme eingespritzt wird, um die Phase der Brennstoffkonzentrationswelle relativ zu der Phase der Flammdruckschwingung einzustellen.