DE19948673B4

DE19948673B4 - Method for producing hot gases in a combustion device and combustion device for carrying out the method

Info

Publication number: DE19948673B4
Application number: DE1999148673
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Polifke; Alexander Ni; Franz Joos
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2019-10-09
Also published as: DE19948673A1

Abstract

Verfahren zum Erzeugen von heissen Gasen in einer Verbrennungseinrichtung (10, 10'), insbesondere für den Antrieb von Gasturbinen, bei welchem Verfahren in einer Vormischzone (11, 11') ein Brennstoff oder ein brennstoffhaltiges Medium in eine entlang einer Achse (24) strömende Gasströmung (13) eingedüst und mit der Gasströmung (13) vermischt wird, und das Gemisch stromabwärts in einer Brennkammer (12, 12') gezündet und verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von thermoakustischen Verbrennungsinstabilitäten in der Gasströmung (13) Bereiche (18, 19) mit unterschiedlicher mittlerer Strömungsgeschwindigkeit erzeugt werden, und der Brennstoff bzw. das brennstoffhaltige Medium derart in diese Bereiche (18, 19) eingedüst wird, dass er unterschiedlich schnell mit der Strömung zum Ort der Wärmefreisetzung transportiert wird.method for generating hot gases in a combustion device (10, 10 '), in particular for the drive of gas turbines, in which process in a premixing zone (11, 11 ') a fuel or a fuel-containing medium in a flowing along an axis (24) gas flow (13) injected and with the gas flow (13) is mixed, and the mixture downstream in a combustion chamber (12, 12 ') ignited and is burned, characterized in that to avoid of thermoacoustic combustion instabilities in the gas flow (13) Areas (18, 19) with different average flow velocity are generated, and the fuel or the fuel-containing medium is injected into these areas (18, 19) so that he different fast with the flow to the place of heat release is transported.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von heissen Gasen in einer Verbrennungseinrichtung, insbesondere für den Antrieb von Gasturbinen, bei welchem Verfahren in einer Vormischzone ein Brennstoff oder ein brennstoffhaltiges Medium in eine entlang einer Achse strömende Gasströmung eingedüst und mit der Gasströmung vermischt wird, und dass Gemisch stromabwärts in einer Brennkammer gezündet und verbrannt wird.The The present invention relates to the field of combustion technology. It relates to a method for generating hot gases in one Combustion device, in particular for the drive of gas turbines, in which process in a premixing zone a fuel or a fuel-containing medium is injected into a gas flow flowing along an axis and with the gas flow is mixed, and that mixture is ignited downstream in a combustion chamber and is burned.

Ein solches Verfahren ist z. B. aus der US-A-5,593,302 bei einem sekundären Brenner einer Gasturbine, oder aus der US-A-4,932,861 bei einem sogenannten Doppelkegelbrenner, bekannt.Such a method is z. B. from the US-A-5,593,302 in a secondary burner of a gas turbine, or from the US-A-4,932,861 in a so-called double-cone burner, known.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Thermoakustische Verbrennungsinstabilitäten können einen sicheren und verlässlichen Betrieb moderner Gasturbinen mit Vormischung ernsthaft behindern. Einer der für diese Instabilitäten verantwortlichen Mechanismen basiert auf einer Rückkopplungsschleife, welche die Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen bei der Brennstoffeinspritzung, die durch Strömung transportierten (konvektiven) Brennstoffinhomogenitäten und die Wärmefreisetzungsrate einbezieht.The thermoacoustic combustion instabilities can a safe and reliable Operation of modern gas turbines with premix seriously hamper. One of the for these instabilities Responsible mechanisms based on a feedback loop, which the pressure and velocity fluctuations in the fuel injection, by flow transported (convective) fuel inhomogeneities and the heat release rate includes.

Ein fundamentales Stabilitätskriterium für das Auftreten von thermoakustischen Verbrennungsinstabilitäten ist das Rayleigh-Kriterium, das wie folgt formuliert werden kann:
Sobald eine Flamme in einem akustischen Resonator eingeschlossen ist, können thermoakustische selbsterregte Schwingungen auftreten, wenn gilt

A fundamental stability criterion for the occurrence of thermoacoustic combustion instabilities is the Rayleigh criterion, which can be formulated as follows:
Once a flame is trapped in an acoustic resonator, thermoacoustic self-excited vibrations may occur, if any

Hierbei ist Q' die augenblickliche Abweichung der integralen Wärmefreisetzungsrate von ihrem mittleren (stationären) Wert, p' bezeichnet die Druckschwankungen, und T bezeichnet die Periodendauer der Schwingungen (1/T = f ist die Frequenz der Schwingungen). Bei der Formel (1) ist angenommen, die räumliche Ausdehnung der Wärmefreisetzungszone hinreichend klein ist, um mit integralen Werten von Q' und p' zu arbeiten. Eine Erweiterung auf die allgemeinere Situation mit einer verteilten Wärmefreisetzung Q'(x) und einer kleinen akustischen Wellenlänge ergibt sich unmittelbar und führt zu einem sogenannten Rayleigh-Index. Das Rayleigh-Kriterium (1) besagt, dass eine Instabilität nur auftreten kann, wenn Schwankungen der Wärmefreisetzung und des Druckes wenigstens bis zu einem gewissen Grade miteinander in Phase sind.in this connection Q 'is the momentary Deviation of the integral heat release rate from their middle (stationary) Value, p ' the pressure fluctuations, and T denotes the period of the oscillations (1 / T = f is the frequency of the vibrations). In the formula (1) is assumed the spatial extent the heat release zone is sufficiently small to work with integral values of Q 'and p'. A Extension to the more general situation with a distributed heat release Q '(x) and a small one acoustic wavelength results directly and leads to a so-called Rayleigh index. The Rayleigh criterion (1) states that instability can only occur when fluctuations in heat release and pressure at least to some extent in phase with each other.

In einer Verbrennungseinrichtung mit Vormischung hängt die augenblickliche Wärmefreisetzungsrate unter anderem von der augenblicklichen Brennstoffkonzentration in der vorgemischten Brennstoff-Luft-Mischung ab, welche in die Verbrennungszone eintritt. Die Brennstoffkonzentration ihrerseits kann durch (akustische) Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen in der Nähe der Brennstoffeinspritzvorrichtung beeinflusst werden, vorausgesetzt, dass die Luftzuführung und die Brennstoffeinspritzvorrichtung nicht akustisch steif sind. Diese letztgenannte Bedingung ist üblicherweise erfüllt, d. h., der Druckabfall der Luftströmung entlang der Brennstoffeinspritzregion des Brenners ist üblicherweise ziemlich gering, und selbst der Druckabfall entlang der Brennstoffeinspritzvorrichtung ist im allgemeinen nicht gross genug, um die Brennstoffzuleitung von der Akustik in der Verbrennungseinrichtung abzukoppeln. Die Beziehung zwischen der Akustik an der Brennstoffeinspritzvorrichtung und der Wärmefreisetzung in der Strömung kann mit den einfachsten Ausdrücken wie folgt formuliert werden:

In a premixed combustor, the instantaneous heat release rate depends, among other things, on the instantaneous fuel concentration in the premixed fuel-air mixture entering the combustion zone. The fuel concentration, in turn, may be affected by (acoustic) pressure and velocity variations in the vicinity of the fuel injector, provided that the air supply and the fuel injector are not acoustically stiff. This latter condition is usually met, that is, the pressure drop of the airflow along the fuel injection region of the combustor is usually quite low, and even the pressure drop along the fuel injector is generally not large enough to decouple the fuel supply from the acoustics in the combustor. The relationship between the acoustics at the fuel injector and the heat release in the flow can be formulated with the simplest expressions as follows:

Hierbei bezeichnen x_I den Ort der Brennstoffeinspritzung und u(x) und u'(x) die Strömungsgeschwindigkeit bzw. deren momentane zeitliche Aenderung, während τ die Zeitverzögerung ist, die den Tatbestand ausdrückt, dass Brennstoffinhomogenitäten, die an der Brennstoffeinspritzvorrichtung entstehen, von der Flamme nicht sofort gespürt werden, sondern erst, nachdem sie von der mittleren Strömung vom Einspritzort zur Flammenfront transportiert worden sind. In einer selbstzündenden Verbrennungseinrichtung wird τ durch die Kinetik der chemischen Reaktionen bestimmt, welche den Ort der Flamme bestimmt. In einer herkömmlichen Verbrennungseinrichtung mit Vormischung dagegen wird die Flamme mit einem Flammenhalter ("flame holder") verankert, der unterschiedliche Ausgestaltungen ("bluff body", "V-gutter", Rezirkulationszone oder dgl.) annehmen kann. Die Zeitverzögerung hängt in diesem Fall von der mittleren Strömungsgeschwin digkeit und dem Abstand zwischen Einspritzort und dem Flammenhalter ab. In jedem Fall kann die Zeitverzögerung näherungsweise beschrieben werden durch

wobei l den Abstand zwischen dem Einspritzort und der Flammenfront bezeichnet, während U(x) die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der Vormischzone des Brenners ist, mit der die Brennstoffinhomogenitäten in der Strömung von der Einspritzvorrichtung zur Flamme transportiert werden.Here, x _I denotes the location of the fuel injection and u (x) and u '(x) the flow velocity and their instantaneous temporal change, while τ is the time delay which expresses the fact that fuel inhomogeneities arising at the fuel injector, from the Flame can not be felt immediately, but only after they have been transported by the medium flow from the injection to the flame front. In a self-igniting incinerator, τ is determined by the kinetics of the chemical reactions that determine the location of the flame. In contrast, in a conventional premixed incinerator, the flame is ignited with a flame holder ("flame In this case, the time delay depends on the average flow velocity and the distance between the injection location and the flame holder In any case, the time delay can be approximated by

where l denotes the distance between the injection location and the flame front, while U (x) is the mean flow rate in the premix zone of the burner with which the fuel inhomogeneities in the flow are transported from the injector to the flame.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Gleichung (2) den Umstand ausdrückt, dass ein augenblicklicher Zuwachs in der Geschwindigkeit der an der Brennstoffeinspritzvorrichtung vorbeiströmenden Luft (erster Term auf der rechten Seite der Gleichung) zu einer Verdünnung der Brennstoff-Luft-Mischung und einer entsprechenden Reduzierung der Wärmefreisetzung führt, während ein Druckzuwachs an der Brennstoffeinspritzvorrichtung (zweiter Term auf der rechten Seite der Gleichung) den augenblicklichen Brennstoffmassenfluss reduziert und damit ebenfalls die Wärmefreisetzungsrate herabsetzt. Es sei darauf hingewiesen, dass – selbst wenn die Brennstoffeinspritzvorrichtung akustisch "steif" ist (d. h. Δp → ∞) – Brennstoffinhomogenitäten an der Einspritzvorrichtung erzeugt werden können.In summary can be said that the equation (2) expresses the fact that an instantaneous increase in the speed of the fuel injector passing air (first term on the right side of the equation) to a dilution of the Fuel-air mixture and a corresponding reduction of heat release leads, while a pressure increase at the fuel injection device (second Term on the right side of the equation) the instantaneous fuel mass flow reduces and thus also reduces the heat release rate. It should be noted that - even if the fuel injector is acoustically "stiff" (i.e., Δp → ∞) - fuel inhomogeneities at the Injection device can be generated.

Was die thermoakustische Stabilität anbelangt, ermöglicht eine Zeitverzögerung wie sie in Gleichung (2) auftritt, im allgemeinen eine resonante Rückkopplung und eine Verstärkung von infinitesimalen Störungen. Natürlich hängen die exakten Bedingungen und Frequenzen, bei denen selbsterregte Schwingungen auftreten, auch von den mittleren Strömungsbedingungen ab, und zwar insbesondere den Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturen, sowie von der Akustik der Verbrennungseinrichtung, wie z. B. den Randbedingungen, Eigenfrequenzen, Dämpfungsmechanismen, etc.. Nichtsdestoweniger stellt die Beziehung zwischen den akustischen Eigenschaften und den Schwankungen in der Wärmefreisetzung, wie sie in Gleichung (2) beschrieben ist, eine ernstzunehmende Bedrohung der ther moakustischen Stabilität der Verbrennungseinrichtung dar. Es sollte daher ein Weg gefunden werden, um diesen Mechanismus von allem Anfang an zu unterdrücken.What the thermoacoustic stability As far as possible a time delay as occurs in equation (2), generally a resonant one feedback and a reinforcement of infinitesimal perturbations. Of course they are hanging exact conditions and frequencies where self-excited vibrations occur, even from the mean flow conditions, namely in particular the flow rates and temperatures, as well as the acoustics of the incinerator, such as B. the boundary conditions, natural frequencies, damping mechanisms, etc. Nevertheless, the relationship between the acoustic presents Properties and fluctuations in heat release, as in Equation (2) is a serious threat to ther moakustic stability the combustion device. It should therefore find a way to suppress this mechanism from the very beginning.

Grundsätzlich ist es im Rahmen der o. g. Ueberlegungen denkbar, eine Unterdrückung von thermoakustischen Instabilitäten durch eine Verteilung von unterschiedlichen Zeitverzögerungen auf der Zeitachse herbeizuführen. Der eingespritzte Brennstoff wird dabei in zwei oder mehr einzelne Ströme oder "Parzellen" aufgeteilt, die alle im Bezug aufeinander unterschiedliche Zeitverzögerungen und entsprechend unterschiedliche Phasen aufweisen. Idealerweise hätte eine solche Aufteilung in verschiedene Brennstoffströme Schwankungen in der Wärmefreisetzung Q'_i (i = 1, 2, ...) zur Folge, derart, dass

gelten würde. Dadurch wäre sichergestellt, dass das Rayleigh-Kriterium (1) nicht erfüllt werden kann. In der Praxis ist eine solch exakte Auslöschung weder möglich noch notwendig; es reicht aus, die Stärke der resonanten Rückkopplung soweit herabzusetzen, dass die dissipativen Effekte innerhalb des Systems stärker sind als die Verstärkungsmechanismen.Basically, it is within the scope of the above considerations conceivable to bring about a suppression of thermoacoustic instabilities by a distribution of different time delays on the time axis. The injected fuel is thereby divided into two or more individual streams or "parcels", all of which have different time delays with respect to each other and correspondingly different phases. Ideally, such a division into different fuel streams would result in variations in heat release Q ' _i (i = 1, 2, ...), such that

would apply. This would ensure that the Rayleigh criterion (1) can not be met. In practice such exact extinction is neither possible nor necessary; it suffices to reduce the strength of the resonant feedback to such an extent that the dissipative effects within the system are stronger than the amplification mechanisms.

In der Vergangenheit ist nun bereits vorgeschlagen worden ( DE-A1-198 09 364 ) innerhalb eines Brenners oder in mehreren parallel in eine Brennkammer arbeitenden Brennern Brennstoff axial abgestuft in unterschiedlichen axialen Abständen zum Ort der Wärmefreisetzung einzuspritzen, um den Brennstoff von der Verbrennung zu entkoppeln und die dynamische Druckamplitude der Verbrennungsflamme zu verkleinern. Ein solche Lösung hat jedoch den Nachteil, dass die Brennstoffeinspritzung aufgrund der axialen Abstufung apparativ vergleichsweise aufwendig gestaltet ist: Wird nämlich innerhalb eines Brenners axial abgestuft eingespritzt, ist eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten separaten Einspritzöffnungen notwendig. Werden dagegen mehrere parallele Brenner mit unter schiedlichen axialen Einspritzorten eingesetzt, müssen die Brenner aufgrund ihrer unterschiedlichen Konfiguration einzeln angefertigt werden, was die Herstellung und Lagerhaltung erheblich verteuert.In the past, it has already been proposed ( DE-A1-198 09 364 ) Within a burner or in a plurality of burners operating in parallel in a combustion chamber, fuel is injected axially at different axial distances to the location of the heat release in order to decouple the fuel from the combustion and to reduce the dynamic pressure amplitude of the combustion flame. However, such a solution has the disadvantage that the fuel injection is designed comparatively expensive due to the axial gradation apparatus: namely, injected axially stepped within a burner, a plurality of successively arranged separate injection openings is necessary. If, however, several parallel burners used under different axial injection locations, the burner must be made individually due to their different configuration, which significantly increases the cost of production and warehousing.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von heissen Gasen in einer Verbrennungseinrichtung zu schaffen, welches zur Vermeidung von thermoakustischen Instabilitäten die eingangs beschriebene Verteilung der Verzögerungszeiten bei der Brennstoffeinspritzung einsetzt, ohne dass die Einspritzung selbst einen zusätzlichen apparativen Aufwand erfordert, sowie eine Verbrennungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugebenIt It is therefore an object of the invention to provide a process for the production of hot gases in a combustion device to create which to avoid thermoacoustic instabilities described above Distribution of delay times in the fuel injection without the injection even an extra equipment required, as well as a combustion device to carry out of the procedure

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, eine Verteilung der Verzögerungszeiten für die Wärmefreisetzung nicht durch unterschiedliche axiale Abstände zwischen den Einspritzorten und der Flammenfront herbeizuführen, sondern dadurch, dass in eine erzeugte (oder vorhandene) Verteilung von unterschiedlichen mittleren Strömungsgeschwindigkeiten der Brennstoff so eingedüst wird, dass er unterschiedlich schnell mit der Strömung zum Ort der Wärmefreisetzung transportiert wird. Der besondere Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass am Ort der Brennstoffeinspritzung gegenüber herkömmlichen Verfahren bzw. Anlagen nur wenige Aenderungen vorgenommen werden müssen, um eine solche Verteilung zu erzeugen.The The object is solved by the features of claims 1 and 4. Of the The essence of the invention is a distribution of the delay times for the heat release not by different axial distances between the injection locations and the flame front, but in that in a generated (or existing) distribution of different average flow rates of fuel so injected that he will be with the flow at different speeds Transported place of heat release becomes. The special advantage of this solution lies in the fact that locally the fuel injection opposite usual Procedures or installations only a few changes are made have to, to create such a distribution.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur lokalen Herabsetzung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit einzelne axiale Wirbel in der Gasströmung erzeugt werden, und dass der Brennstoff bzw. das brennstoffhaltige Medium in die Wirbel und ausserhalb der Wirbel liegende Bereiche eingedüst wird. In den Wirbeln ist die (axiale) mittlere Strömungsgeschwindigkeit gegenüber den Bereichen ausserhalb der Wirbel herabgesetzt, so dass sich auf einfache Weise die gewünschte Verteilung der Verzögerungszeiten erreichen lässt. Insbesondere gilt dies für Vormischbrenner mit bereits eingebauten Wirbelerzeugungselementen, wo derartige axiale Wirbel bereits vorhanden sind und lediglich die Brennstoffeinspritzung entsprechend angepasst werden muss.A preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that for locally reducing the average flow velocity individual axial vortex in the gas flow be generated, and that the fuel or the fuel-containing Medium in the vertebrae and out-of-vertebra areas injected becomes. In the vertebrae is the (axial) mean flow velocity across from the areas outside the vertebra are lowered, so that on easy way the desired Distribution of delay times can achieve. In particular, this applies to Premix burner with pre-installed vortex generating elements, where such axial vortex already exists and only the fuel injection must be adjusted accordingly.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens, das sich vorzugsweise bei den bekannten Doppelkegelbrennern der Anmelderin (siehe z. B. die US-A-4,932,861 ) durchführen lässt, zeichnet sich dadurch aus, dass in der Gasströmung eine axialsymmetrische Verteilung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird, und dass der Brennstoff bzw. das brennstoffhaltige Medium sowohl in einen achsennahen, zentralen Bereich der Gasströmung als auch ausserhalb dieses Zentralbereiches eingedüst wird.Another preferred embodiment of the method according to the invention, which is preferably used in the known double-cone burners of the Applicant (see, for example, US Pat US-A-4,932,861 ) is characterized in that an axially symmetric distribution of the average flow velocity is generated in the gas flow, and that the fuel or the fuel-containing medium is injected both in an axis near, central region of the gas flow and outside of this central region.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Verbrennungseinrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel Wirbelerzeugungselemente umfassen, welche lokale axiale Wirbel mit reduzierter mittlerer Strömungsgeschwindigkeit erzeugen, und dass die ersten Mittel so ausgebildet sind, dass der Brennstoff bzw. das brennstoffhaltige Medium in die axialen Wirbel und in Bereiche ausserhalb der axialen Wirbel eingedüst wird. Die Wirbelerzeugungselemente können dabei insbesondere als tetraederförmige Keile ausgebildet und symmetrisch um die Achse herum angeordnet sein, und die ersten Mittel können eine hinter den Wirbelerzeugungselementen in der Gasströmung angeordnete Brennstofflanze umfassen.A preferred embodiment the combustion device according to the invention is characterized in that the second means comprise vortex generating elements which local axial vortex with reduced mean flow velocity generate, and that the first means are designed so that the Fuel or the fuel-containing medium in the axial vortex and is injected into areas outside the axial vortex. The vortex generating elements can in particular designed as tetrahedral wedges and be arranged symmetrically about the axis, and the first means can one disposed behind the vortex generating elements in the gas flow Fuel lance include.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Verbrennungseinrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel einen wirbelstabilisierten Vormischbrenner, insbesondere in Form eines Doppelkegelbrenners, umfassen, welcher eine Verteilung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit aufweist, die im achsennahen Zentrum ein Maximum hat und radial nach aussen hin abfällt, und dass die zweiten Mittel so ausgebildet sind, dass der Brennstoff bzw. das brennstoffhaltige Medium sowohl in einen achsennahen, zentralen Bereich der Gasströmung als auch ausserhalb dieses Zentralbereiches eingedüst wird.A another preferred embodiment the combustion device according to the invention is characterized that the second means comprise a vortex-stabilized premix burner, in particular in the form of a double-cone burner, which include has a distribution of average flow velocity, which has a maximum in the axis near the center and radially outward falls off, and that the second means are adapted to the fuel or the fuel-containing medium both in an axis-near, central Range of gas flow as well as outside this central area is injected.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further embodiments arise from the dependent ones Claims.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGURENBRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigenThe Invention is intended below with reference to embodiments in connection closer to the drawing explained become. Show it

1 eine an sich bekannte Verbrennungseinrichtung mit Vormischung und keilförmigen Wirbelerzeugungselementen, wie sie zur Verwirklichung der Erfindung eingesetzt werden kann; 1 a per se known combustion device with premix and wedge-shaped vortex generating elements, as can be used to implement the invention;

2 die Einspritzung des Brennstoffes in der Verbrennungseinrichtung nach 1 gemäss dem Stand der Technik in der Ansicht in Achsenrichtung und entgegen der Strömungsrichtung; 2 Injection of fuel in the combustion device after 1 according to the prior art in the view in the axial direction and against the flow direction;

3 die zu 2 vergleichbare Einspritzung gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und 3 the too 2 comparable injection according to a preferred embodiment of the invention; and

4 die Einspritzung bei einem an sich bekannten Doppelkegelbrenner, bei dem gemäss einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die vorhandene axialsymmetrische Verteilung der mittleren Strömungsgeschwindigkeiten ausgenutzt wird. 4 the injection in a conventional double-cone burner, in which according to another preferred embodiment of the invention, the existing axisymmetric distribution of average flow velocities is utilized.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS TO PERFORM THE INVENTION

In 1 ist im vereinfachten Längsschnitt eine Verbrennungseinrichtung 10 wiedergegeben, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, und von der Anmelderin beispielsweise als Sekundärbrenner (SEV-Brenner) in Gasturbinenanlagen eingesetzt wird (siehe z. B. die US-A-5,593,302 ). In der Verbennungseinrichtung 10 wird in einer Vormischzone 11 entlang der Achse 24 eine (in 1 von links kommende und durch Pfeile gekennzeichnete) Gasströmung 13, die üblicherweise Verbrennungsluft enthält, durch vor dem Ort der Brennstoffeinspritzung angeordnete Wirbelerzeugungselemente ("vortex generators") 14 verwirbelt. Die Wirbelerzeugungselemente 14 haben beispielsweise eine tetraedische Keilform, wie sie in verschiedenen Druckschriften (z. B. US-A-5,423,608 oder US-A-5,513,982 oder US-A-5,558,515 ) in Aufbau und Funktion beschrieben worden sind. In die verwirbelte Gasströmung (Luftströmung) 13 wird durch eine hinter den Wirbelerzeugungselementen 14 angeordnete Brennstofflanze 15 mit entsprechenden Einspritzöffnungen 16 der Brennstoff in Form von Brennstoffstrahlen 17 eingedüst. Die Brennstoffstrahlen 17 sind dabei häufig in radialer Richtung orientiert, können aber auch eine andere Orientierung aufweisen. Der eingedüste Brennstoff vermischt sich dann mit der verwirbelten Gasströmung 13 und die Mischung tritt dann aus der Vormischzone 11 in eine nachfolgende Brennkammer 12 ein, wo sie (üblicherweise durch Selbstzündung) in Form einer Flamme verbrennt.In 1 is a simplified longitudinal section of a combustion device 10 is known from the prior art, and is used by the applicant, for example, as a secondary burner (SEV burner) in gas turbine plants (see, for example, the US-A-5,593,302 ). In the Verbennungseinrichtung 10 will be in a premix zone 11 along the axis 24 a (in 1 coming from the left and indicated by arrows) gas flow 13 usually containing combustion air by means of vortex generators located upstream of the fuel injection location 14 swirled. The vortex generating elements 14 have, for example, a tetrahedral wedge shape, as described in various publications (eg. US-A-5,423,608 or US-A-5,513,982 or US-A-5,558,515 ) have been described in structure and function. Into the swirling gas flow (air flow) 13 is through one behind the vortex generating elements 14 arranged fuel lance 15 with corresponding injection openings 16 the fuel in the form of fuel jets 17 injected. The fuel jets 17 are often oriented in the radial direction, but may also have a different orientation. The injected fuel then mixes with the turbulent gas flow 13 and the mixture then exits the premix zone 11 in a subsequent combustion chamber 12 where it burns (usually by auto-ignition) in the form of a flame.

Je nach Art der Wirbelerzeugungselemente 14 werden in der Gasströmung 13 unterschiedliche Wirbel erzeugt. Sind die Wirbelerzeugungselemente 14 – wie in 1 gezeigt – als tetraedische Keile ausgebildet, erzeugt jedes Element 14 zwei gegenläufige achsenparallele Wirbel, von denen ein Paar in 2 mit den Bezugszeichen 18 und 19 versehen ist. Da die Elemente 14 mit Rotationssymmetrie um die Achse 24 herum angeordnet sind, ist die Wirbelstruktur mit den Wirbeln 18, 19 ebenfalls weitgehend rotationssymmetrisch. Sind in der Brennstofflanze 15 die Einspritzöffnungen 16 mit einer vergleichbaren Symmetrie angeordnet, sind die Brennstoffstrahlen 17 auf sich in der Symmetrie entsprechende Bereiche der Wirbelstruktur gerichtet, so dass sich insgesamt eine sehr gleichmässige Vermischung ergibt. Obgleich in der Wirbelstruktur aufgrund der axialen Wirbel in axialer Richtung sehr unterschiedliche mittlere Strömungsgeschwindigkeiten herrschen – innerhalb der Wirbel 18, 19 ist die Strömungsgeschwindigkeit deutlich geringer als ausserhalb – kommt der eingespritzte Brennstoff aus allen Brennstoffstrahlen 17 in etwa mit derselben Zeitverzögerung an der Flammenfront in der Brennkammer 12 an.Depending on the type of vortex generating elements 14 be in the gas flow 13 produces different vortices. Are the vortex generating elements 14 - as in 1 shown - designed as tetrahedral wedges, each element generates 14 two counter-rotating axis-parallel vortices, of which one pair in 2 with the reference numerals 18 and 19 is provided. Because the elements 14 with rotational symmetry about the axis 24 are arranged around, is the vortex structure with the vertebrae 18 . 19 likewise largely rotationally symmetrical. Are in the fuel lance 15 the injection openings 16 arranged with a comparable symmetry, are the fuel jets 17 directed in symmetry corresponding areas of the vortex structure, so that overall results in a very uniform mixing. Although in the vortex structure due to the axial vortex in the axial direction very different mean flow velocities prevail - within the vortex 18 . 19 If the flow velocity is significantly lower than outside, the injected fuel comes from all fuel jets 17 at about the same time delay at the flame front in the combustion chamber 12 at.

Um hier im Sinne der Erfindung zur Verhinderung von thermoakustischen Instabilitäten nun eine Verteilung dieser Verzögerungszeiten herbeizuführen, wird die unterschiedliche Verteilung der mittleren Strömungsgeschwindigkeiten in der Wirbelstruktur ausgenutzt: Gemäss 3 werden dazu die Brennstoffstrahlen 20, ..., 23 aus der Brennstofflanze 15 so ausgerichtet, dass z. B. ein Teil von ihnen (Brennstoffstrahlen 20, 22) ins Zentrum der Wirbel 18, 19 gerichtet ist, während ein anderer Teil (Brennstoffstrahlen 21, 23) in Bereiche zwischen den Wirbeln zielt. Da innerhalb der Wirbel 18, 19 (insbesondere zum Wirbelzentrum hin) die (axiale) Strömungsgeschwindigkeit herabgesetzt ist, gelangt der mit den Brennstoffstrahlen 20, 22 eingedüste Brennstoff später in die Brennkammer 12 als der mit den Brennstoffstrahlen 21 und 23 eingedüste. Durch eine geeignete Orientierung der Brennstoffstrahlen 20, ..., 23 relativ zur Wirbelstruktur der Gasströmung 13 lässt sich so eine geeignete Verteilung der Verzögerungszeiten in der Wärmefreisetzung erreichen, die gemäss der eingangs gegebenen Erklärungen dann das Auftreten von thermoakustischen Verbrennungsinstabilitäten in der Brennkammer 12 verhindert oder zumindest behindert. Es versteht sich von selbst, dass im Rahmen der Erfindung Zahl und Orientierung der Brennstoffstrahlen in weiten Grenzen gewählt und eingestellt werden können.In order to bring about a distribution of these delay times in the sense of the invention for the purpose of preventing thermoacoustic instabilities, the different distribution of the mean flow velocities in the vortex structure is exploited 3 become the fuel jets 20 , ..., 23 from the fuel lance 15 aligned so that z. B. a part of them (fuel jets 20 . 22 ) into the center of the vortex 18 . 19 while another part (fuel jets 21 . 23 ) in areas between the vertebrae. Because within the vortex 18 . 19 (In particular to the vortex center out) the (axial) flow rate is reduced, which comes with the fuel jets 20 . 22 injected fuel later into the combustion chamber 12 as the one with the fuel jets 21 and 23 injected. By a suitable orientation of the fuel jets 20 , ..., 23 relative to the vortex structure of the gas flow 13 Thus, a suitable distribution of the delay times in the heat release can be achieved, which according to the explanations given at the outset then the occurrence of thermoacoustic combustion instabilities in the combustion chamber 12 prevented or at least disabled. It goes without saying that in the context of the invention, the number and orientation of the fuel jets can be selected and adjusted within wide limits.

Die Ausnutzung einer Verteilung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Sinne der Erfindung lässt sich aber auch mit Vorteil bei den sogenannten Doppelkegelbrennern der Anmelderin verwirklichen, die z. B. in der in ihrer Struktur und Wirkungsweise in der US-A-4,932,861 beschrieben sind. Ein solcher Doppelkegelbrenner 25 ist zentraler Bestandteil der in 4 dargestellten Verbrennungseinrichtung 10'. Von aussen kommende Luft strömt durch den Doppelkegel bzw. die im Doppelkegel angeordneten Brennerschlitze in den Doppelkegelbrenner ein und bildet in der konischen Vormischzone 11' eine Gasströmung 13 in Form eines Wirbels mit einer (axialsymmetrischen) Verteilung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit 30, die in 4 durch die Pfeile angedeutet ist. Innerhalb der Verteilung 30 ist die Strömungsgeschwindigkeit im Zentrum am grössten und nimmt radial nach aussen zu ab. Werden nun durch die zentrale Brennstofflanze 26 so wohl Brennstoffstrahlen 28 ins Zentrum der Verteilung 30 als auch Brennstoffstrahlen 27 in die Randbereiche der Verteilung 30 eingedüst, ergibt sich eine zu 3 vergleichbare Verteilung der Verzögerungszeiten, weil der ins Zentrum eingedüste Brennstoff (Brennstoffstrahl 28) nach der Vermischung mit der Gasströmung 13 und Durchlaufen des Mischrohres 29 früher in der Brennkammer 12' ankommt, als der in die Randbereiche eingedüste Brennstoff der Brennstoffstrahlen 27. Alternativ kann bei einem solchen Brenner aber auch Pilot- bzw. Premix-Brennstoff durch die zentrale Düse mit hohem axialen Impuls (Brennstoffstrahl 28) und gleichzeitig durch kleine Löcher entlang der Brennerschlitze eingedüst werden. Die Brennstoffstrahlen 27 können bei dieser alternativen Konfiguration entfallen.The utilization of a distribution of the average flow velocity in the context of the invention can also be realized with advantage in the so-called double cone burners of the applicant, the z. B. in the structure and mode of action in the US-A-4,932,861 are described. Such a double cone burner 25 is central to the in 4 illustrated combustion device 10 ' , Air coming from outside flows through the double cone or the burner slots arranged in the double cone into the double-cone burner and forms in the conical premixing zone 11 ' a gas flow 13 in the form of a vortex with an (axisymmetric) distribution of mean flow velocity 30 , in the 4 indicated by the arrows. Within the distribution 30 the flow velocity is the highest in the center and decreases radially outwards. Now be through the central fuel lance 26 so well fuel jets 28 to the center of the distribution 30 as well as fuel jets 27 in the border areas of the distribution 30 injected, results in a too 3 comparable distribution of the delay times, because the fuel injected into the center (fuel jet 28 ) after mixing with the gas flow 13 and passing through the mixing tube 29 earlier in the combustion chamber 12 ' arrives as the injected fuel into the margins of the fuel jets 27 , Alternatively, in such a burner but also pilot or premix fuel through the central nozzle with high axial momentum (fuel jet 28 ) and simultaneously injected through small holes along the burner slots. The fuel jets 27 can be omitted in this alternative configuration.

Wie man an den beiden Beispielen der 3 und 4 erkennt, lässt sich durch die Erfindung eine vorhandene Verbrennungseinrichtung 10, 10' sehr leicht auf einen stabilisierten Betrieb umstellen, indem nur die Brennstoffeinspritzung geringfügig geändert wird. Es versteht sich dabei von selbst, dass dies auch bei anderen Brennertypen möglich ist, sofern eine Verteilung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit vorliegt oder mit einfachen Mitteln erzeugt werden kann.As can be seen from the two examples of 3 and 4 recognizes, can be through the invention, an existing combustion device 10 . 10 ' very easily switch to a stabilized operation by only slightly changing the fuel injection. It goes without saying that this is also possible with other burner types, provided that a distribution of the average flow velocity is present or can be generated by simple means.

10, 10'10 10 ': Verbrennungseinrichtungincinerator
11, 11'11 11 ': Vormischzonepremixing
12, 12'12 12 ': Brennkammercombustion chamber
1313: Gasströmunggas flow
1414: Wirbelerzeugungselement (vortex generator)Vortex generating element (vortex generator)
1515: Brennstofflanzefuel lance
1616: EinspritzöffnungInjection port
1717: Brennstoffstrahlfuel jet
18, 1918 19: Wirbelwhirl
20, ..., 2320 ..., 23: Brennstoffstrahlfuel jet
2424: Achseaxis
2525: DoppelkegelbrennerDouble-cone burner
2626: Brennstofflanzefuel lance
27, 2827 28: Brennstoffstrahlfuel jet
2929: Mischrohrmixing tube
3030: Verteilung der mittleren Strömungsgeschwindigkeitdistribution the mean flow velocity

Claims

Method for producing hot gases in a combustion device ( 10 . 10 ' ), in particular for the drive of gas turbines, in which process in a premixing zone ( 11 . 11 ' ) a fuel or a fuel-containing medium in one along an axis ( 24 ) flowing gas flow ( 13 ) and with the gas flow ( 13 ) and the mixture downstream in a combustion chamber ( 12 . 12 ' ) is ignited and burned, characterized in that to avoid thermoacoustic combustion instabilities in the gas flow ( 13 ) Areas ( 18 . 19 ) are produced with different average flow velocity, and the fuel or the fuel-containing medium in such areas ( 18 . 19 ) is injected so that it is transported at different speeds with the flow to the place of heat release.

A method according to claim 1, characterized in that for the local reduction of the average flow velocity individual axial vortex ( 18 . 19 ) in the gas flow ( 13 ) are generated, and that the fuel or the fuel-containing medium in the vortex ( 18 . 19 ) and outside the vortex ( 18 . 19 ) is injected areas lying.

Method according to claim 1, characterized in that in the gas flow ( 13 ) an axisymmetric distribution of mean flow velocity ( 30 ) and that the fuel or the fuel-containing medium both into an axis-near, central region of the gas flow ( 13 ) as well as outside this central area is injected.

Incinerator ( 10 . 10 ' ) for carrying out the method according to claim 1, which combustion device ( 10 . 10 ' ) one of a gas flow ( 13 ) Premixing zone through which flow in the axial direction ( 11 . 11 ' ) and first funds ( 15 . 16 ; 26 ) for injection of the fuel or the fuel-containing medium into the gas flow ( 13 ), characterized in that in the pre-mixing zone ( 11 . 11 ' ) second means ( 14 . 25 ) are present in the gas flow ( 13 ) Areas ( 18 . 19 ) of different average flow velocity, and that the first means ( 15 . 16 ; 26 ) are formed so that the fuel or the fuel-containing medium are injected into the areas of different average flow rate such that they are transported at different rates with the flow to the place of heat release.

Incinerator according to claim 4, characterized in that the second means are vortex generating elements ( 14 ), which local axial vortices ( 18 . 19 ) with reduced average flow velocity, and that the first means ( 15 . 16 ) are formed so that the fuel or the fuel-containing medium in the axial vortex ( 18 . 19 ) and in areas outside the axial vortex ( 18 . 19 ) is injected.

Combustion device according to claim 5, characterized in that the vortex generating elements ( 14 ) formed as a tetrahedral wedges and symmetrical about the axis ( 24 ) and that the first means behind the vortex generating elements ( 14 ) in the gas flow ( 13 ) arranged fuel lance ( 15 ).

Combustion device according to Claim 4, characterized in that the second means comprise a vortex-stabilized premix burner, in particular in the form of a double-cone burner (US Pat. 25 ), which has a distribution of mean flow velocity ( 30 ) having a maximum in the near-axis center and falling radially outwards, and that the second means ( 26 ) are formed such that the fuel or the fuel-containing medium both into an axis-near, central region of the gas flow ( 13 ) as well as outside this central area is injected.