DE19914666B4

DE19914666B4 - Brenner für einen Wärmeerzeuger

Info

Publication number: DE19914666B4
Application number: DE19914666A
Authority: DE
Inventors: Hans Peter Knöpfel; Thomas Ruck
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: DE19914666A1; GB2350179B; GB2350179A; GB0007774D0; US6461151B1

Abstract

Brenner für einen Wärmeerzeuger, im wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (100) für eine Verbrennungsluft, aus Mitteln zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in die Verbrennungsluft und aus einem mit dem Drallerzeuger (100) in Wirkverbindung stehenden Mischrohr (220), die stromauf einer Brennkammer (30) angeordnet sind, wobei das Mischrohr (220) im Bereich des Austritts in die Brennkammer (30) eine Abrisskante (A) mit einem Radius (R) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Radius (R) über den Umfang des Austrittes des Mischrohres (220) dergestalt variiert, dass eine nicht-kreisförmige Öffnung entsteht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Bei der Erfindung handelt es sich um einen Brenner für einen Wärmeerzeuger, insbesondere für eine Gasturbine, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Aus EP 797 051 A2 ist ein Brenner für eine Gasturbine bekannt. Zur besseren Verständnis ist dieser Brenner in der 1 wiedergegeben. Bei diesem Brenner, der im wesentlichen aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom und aus Mitteln zur Eindüsung eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom besteht, ist stromab des erwähnten Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet. Diese Mischstrecke weist innerhalb einer ersten Teilstrecke eine Anzahl von in Strömungsrichtung verlaufenden Übergangskanälen auf, welche die nahtlose Überführung der im Drallerzeuger gebildeten Strömung in ein nachgeschaltetes Mischrohr sicherstellen. Die Austrittsebene dieses Mischrohres zur Brennkammer ist mit einer Abrisskante und einem Radius ausgebildet, welche der Stabilisierung und Vergrösserung einer sich stromab bildenden Rückströmzone dient. Die Abrisskante und den Radius zeigt die 2, welche ebenfalls aus der Druckschrift EP 797 051 A2 entnommen ist und hier zur Verdeutlichung wiedergegeben ist. Durch die Ausgestaltung dieses Brenners mit der Abrisskante und dem Radius wird eine runde Flamme erzeugt. Mehrere dieser Brenner sind ringförmig um die Rotationsachse der Gasturbine angeordnet. Nachteil dieses Stand der Technik ist allerdings, dass durch die runde Flammenform eine relativ grosse Anzahl von Brennern benötigt werden, was einen Kostennachteil mit sich bringt. Die Brenner müssen einen Mindestabstand von der Brennkammerwand haben, um diese nicht zu überhitzen. Auf der anderen Seite müssen die Brenner einen Minimalabstand zueinander haben, um eine gleichmässige Temperaturverteilung und ein gutes Querzündverhalten zu ermöglichen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ziel der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu überwinden. Die Erfindung löst die Aufgabe einen Brenner zu konzipieren, mit welchem die erforderliche Anzahl von Brennern einer Brennkammer reduziert wird, wobei allerdings der Mindestabstand der Brenner von der Brennkammerwand und die Temperaturverteilung bzw. das Querzündverhalten gleichbleiben soll.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Brenner gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs dadurch erreicht, dass der Radius über den Umfang des Mischrohres variabel ist.
Vorteilhaft ist der Radius so ausgearbeitet, dass ein ellipsoider Übergang vom Mischrohr zur Brennkammer und dadurch eine ellipsoide Flammenform entsteht. Die Flammenform kann so variabel von einer runden Form auf eine Ellipse gebracht werden, wobei das Verhältnis von Flammenbreite zu Flammenhöhe maximal 3 ist. Durch eine wesentliche grössere Ausdehnung der Flamme in der Breite wird die Anzahl der Brenner bei gleichbleibenden Auslegungskriterien deutlich reduziert. Mit dieser Erfindung ist es auch möglich, bestehende Gasturbinen einfach umzurüsten. Dadurch, dass die Flamme von einer runden zu einer ellipsoiden Form variabel gestaltbar ist, kann die Flammenform auch einer Geometrie einer bestehenden Gasturbine individuell angepasst werden.
Die weiteren Ausgestaltungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 einen Brenner für einen Wärmeerzeuger nach dem bekannten Stand der Technik,
2 ein vergrössertes Detail von 1 im Bereich der Abrisskante zwischen dem Mischrohr des Brenners und der Brennkammer,
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Brenners mit ellipsoider Auslassgeometrie und entsprechender Flammenform und
4 eine schematische Darstellung einer Brennkammer mit erfindungsgemässen Brennern, welche ellipsoide Flammenformen aufweisen.
Es sind nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt.
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt den Gesamtaufbau eines Brenners wie er aus der Druckschrift EP 797 051 A2 bekannt ist. Anfänglich ist ein Drallerzeuger 100 wirksam. Es handelt sich bei diesem Drallerzeuger 100 um ein kegelförmiges Gebilde, vorzugsweise einen Vormischbrenner der Doppelkegelbauart, dessen prinzipieller Aufbau in EP 0321809 B1 beschrieben ist, das tangential mehrfach von einem tangential einströmenden Verbrennungsluftstromes 115 beaufschlagt wird. Die sich darin bildende Strömung wird anhand einer stromab des Drallerzeugers 100 vorgesehenen Übergangsgeometrie nahtlos in ein Uebergangsstück 200 übergeleitet, dergestalt, dass dort keine Ablösungsgebiete auftreten können. Dieses Uebergangsstück 200 ist abströmungsseitig der Übergangsgeometrie durch ein Rohr 20 verlängert, wobei beide Teile das eigentliche Mischrohr 220, auch Mischstrecke genannt, des Brenners bilden. Selbstverständlich kann das Mischrohr 220 aus einem einzigen Stück bestehen, d. h. dann, dass das Uebergangsstück 200 und Rohr 20 zu einem einzigen zusammenhängenden Gebilde verschmolzen sind, wobei die Charakteristiken eines jeden Teils erhalten bleiben. Werden Übergangsstück 200 und Rohr 20 aus zwei Teilen erstellt, so sind diese durch einen Buchsenring 10 verbunden, wobei der gleiche Buchsenring 10 kopfseitig als Verankerungsfläche für den Drallerzeuger 100 dient. Ein solcher Buchsenring 10 hat darüber hinaus den Vorteil, dass verschiedene Mischrohre eingesetzt werden können.
Abströmungsseitig des Rohres 20 befindet sich die eigentliche Brennkammer 30, welche hier lediglich durch das Flammrohr versinnbildlicht ist. Das Mischrohr 220 erfüllt die Bedingung, dass stromab des Drallerzeugers 100 eine definierte Mischstrecke bereitgestellt wird, in welcher eine perfekte Vormischung von Brennstoffen verschiedener Art erzielt wird. Diese Mischstrecke, also das Mischrohr 220, ermöglicht des weiteren eine verlustfreie Strömungsführung, so dass sich auch in Wirkverbindung mit der Übergangsgeometrie zunächst keine Rückströmzone bilden kann, womit über die Länge des Mischrohres 220 auf die Mischungsgüte für alle Brennstoffarten Einfluss ausgeübt werden kann. Dieses Mischrohr 220 hat aber noch eine andere Eigenschaft, welche darin besteht, dass im Mischrohr 220 selbst das Axialgeschwindigkeitsprofil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse besitzt, so dass eine Rückzündung der Flamme aus der Brennkammer nicht möglich ist.
Allerdings ist es richtig, dass bei einer solchen Konfiguration diese Axialgeschwindigkeit zur Wand hin abfällt. Um Rückzündung auch in diesem Bereich zu unterbinden, wird das Mischrohr 220 in Strömungs- und Umfangsrichtung mit einer Anzahl regelmässig oder unregelmässig verteilten Bohrungen 21 verschiedenster Querschnitte und Richtungen gegenüber der Brennerachse 60 versehen, durch welche eine Luftmenge in das Innere des Mischrohres 220 strömt, und entlang der Wand im Sinne einer Filmlegung eine Erhöhung der Geschwindigkeit induzieren. Eine andere Möglichkeit die gleiche Wirkung zu erzielen, besteht darin, dass der Durchflussquerschnitt des Mischrohres 220 abströmungsseitig der Übergangskanäle 201, welche die bereits genannten Übergangsgeometrie bilden, eine Verengung erfährt, wodurch das gesamte Geschwindigkeitsniveau innerhalb des Mischrohres 220 angehoben wird. In der Figur verlaufen diese Bohrungen 21 unter einem spitzen Winkel gegenüber der Brennerachse 60. Des weiteren fällt der Auslauf der Übergangskanäle 201 mit dem engsten Durchflussquerschnitt des Mischrohres 220 zusammen. Die genannten Uebergangskanäle 201 überbrücken sonach den jeweiligen Querschnittsunterschied, ohne dabei die gebildete Strömung negativ zu beeinflussen. Wenn die gewählte Vorkehrung bei der Führung der Rohrströmung 40 entlang des Mischrohres 220 einen nicht tolerierbaren Druckverlust auslöst, so kann hiergegen Abhilfe geschaffen werden, indem am Ende des Mischrohres ein in der Figur nicht gezeigter Diffusor vorgesehen wird. Am Ende des Mischrohres 220 schliesst sich eine Brennkammer 30 an, wobei zwischen den beiden Durchflussquerschnitten ein durch eine Frontwand 80 gebildeter Querschnittssprung 70 vorhanden ist. Erst hier bildet sich eine zentrale Rückströmzone 50, welche die Eigenschaften eines Flammenhalters aufweist. Bildet sich innerhalb dieses Querschnittssprunges 70 während des Betriebes eine strömungsmässige Randzone, in welcher durch den dort vorherrschenden Unterdruck Wirbelablösungen entstehen, so führt dies zu einer verstärkten Ringstabilisation der Rückströmzone 50. Die Erzeugung einer stabilen Rückströmzone 50 erfordert eine ausreichend hohe Drallzahl im betreffenden Rohr. Ist eine solche zunächst unerwünscht, so können stabile Rückströmzonen durch die Zufuhr kleiner stark verdrallter Luftströmungen am Rohrende, beispielsweise durch tangentiale Öffnungen, erzeugt werden. Dabei geht man hier davon aus, dass die hierzu benötigte Luftmenge in etwa 5–20% der Gesamtluftmenge beträgt.
2 (Stand der Technik gemäss EP 797 051 A2 ) zeigt die bereits angesprochene Abrisskante A, welche am Brenneraustritt zwischen dem Mischrohr 20 und der Brennkammer 30 gebildet ist. Der Durchflussquerschnitt des Rohres 20 erhält in diesem Bereich einen Uebergangsradius R, dessen Grösse grundsätzlich von der Strömung innerhalb des Rohres 20 abhängt. Dieser Radius R wird so gewählt, dass sich die Strömung an die Wand anlegt und so die Drallzahl stark ansteigen lässt. Quantitativ lässt sich die Grösse des Radius R so definieren, dass dieser > 10% des Innendurchmessers d des Rohres 20 beträgt. Gegenüber einer Strömung ohne Radius vergrössert sich nun die Rückströmblase 50 gewaltig. Dieser Radius R verläuft bis zur Austrittsebene des Rohres 20, wobei der Winkel β zwischen Anfang und Ende der Krümmung < 90° beträgt. Entlang des einen Schenkels des Winkels β verläuft die Abrisskante A ins Innere des Rohres 20 und bildet somit eine Abrissstufe S gegenüber dem vorderen Punkt der Abrisskante A, deren Tiefe > 3 mm beträgt. Selbstverständlich kann die hier parallel zur Austrittsebene des Rohres 20 verlaufende Kante anhand eines gekrümmten Verlaufs wieder auf Stufe Austrittsebene gebracht werden. Der Winkel β', der sich zwischen der Tangente der Abrisskante A und der Senkrechten zur Austrittsebene des Rohres 20 ausbreitet, ist gleich gross wie der Winkel β.
Die 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Brenners wie er aus dem Stand der Technik in seinem prinzipiellen Aufbau bekannt ist. Erfindungsgemäss erzeugt der Brenner aber eine ellipsoide Flamme. Im unteren Teil des Bildes wird eine Sicht entgegen der Strömungsrichtung von unten auf den Brenner gezeigt. Es ist angedeutet, dass die Form des Übergangs von dem Mischrohr 220 zur Brennkammer 30 durch Änderung des Radius R variabel von einem Kreis bis zu einer Ellipse mit dem Verhältnis Breite B zu Höhe H von maximal 3 frei gestaltet werden kann.
In der 4 werden mehrere erfindungsgemässe Brenner mit ellipsoiden Flammen nebeneinander in einer Brennkammer 30 gezeigt. Durch diese Anordnung kann die Anzahl der Brenner einer Gasturbine vorteilhaft reduziert werden.
Auslegungskriterien wie der Mindestabstand eines Brenners von der Brennkammerwand bzw. Temperaturverhalten und Querzündverhalten können dabei gleichgehalten werden. Mit der vorliegenden Erfindung können bestehende Gasturbinen einfach umgerüstet werden. Auch ist es möglich, die Flammenform einer bestehenden Gasturbine durch die flexible Gestaltung von einem Kreis bis zu einer Ellipse anzupassen.

10: Buchenring
20: Mischrohr, Mischstrecke
21: Bohrungen, Öffnungen
30: Brennkammer
40: Strömung, Rohrströmung im Mischrohr
50: Rückströmzone, Rückströmblase
60: Brennerachse
70: Querschnittssprung
80: Frontwand
100: Drallerzeuger
115: Verbrennungsluft (Verbrennungsluftstrom)
200: Uebergangsstück
201: Uebergangskanäle
220: Mischrohr
d: Innendurchmesser des Rohres 20
R: Uebergangsradius
T: Tangentiale der Abrisskante
A: Abrisskante
S: Abrissstufe
β: Uebergangswinkel von R
β': Winkel zwischen T und A
B: Breite der Ellipse
H: Höhe der Ellipse

Claims

Brenner für einen Wärmeerzeuger, im wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (100) für eine Verbrennungsluft, aus Mitteln zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes in die Verbrennungsluft und aus einem mit dem Drallerzeuger (100) in Wirkverbindung stehenden Mischrohr (220), die stromauf einer Brennkammer (30) angeordnet sind, wobei das Mischrohr (220) im Bereich des Austritts in die Brennkammer (30) eine Abrisskante (A) mit einem Radius (R) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Radius (R) über den Umfang des Austrittes des Mischrohres (220) dergestalt variiert, dass eine nicht-kreisförmige Öffnung entsteht.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Radius (R) gebildete nicht-kreisförmige Öffnung eine ellipsoide Form aufweist.
Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Breite (B) zu Höhe (H) der ellipsoiden Form am Übergang zwischen Mischrohr (220) und Brennkammer (30) maximal 3 ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die sich in der Brennkammer (30) bildende Flamme die selbe Form einnimmt, wie die nicht-kreisförmige Öffnung entlang der Abrisskante (A) aufweist.
Brenner nach einem der Ansprüche 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (30) eine Ringbrennkammer ist, und dass die Brenner ringförmig angeordnet sind.