EP0851990B1 - Burner, in particular for a gas turbine - Google Patents
Burner, in particular for a gas turbine Download PDFInfo
- Publication number
- EP0851990B1 EP0851990B1 EP96942244A EP96942244A EP0851990B1 EP 0851990 B1 EP0851990 B1 EP 0851990B1 EP 96942244 A EP96942244 A EP 96942244A EP 96942244 A EP96942244 A EP 96942244A EP 0851990 B1 EP0851990 B1 EP 0851990B1
- Authority
- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- swirl
- burner
- burner according
- stream
- annular gap
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
- F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
- F23D14/24—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other at least one of the fluids being submitted to a swirling motion
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
- F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
- F23C7/004—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion using vanes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/26—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid with provision for a retention flame
Definitions
- the invention relates to a burner with one axis and one with respect to this rotationally symmetrical arrangement of one Outer jacket and a coaxial inner jacket, which an annular gap extending from an entry to an exit for carrying a stream of an oxygen-containing Gases defined, with a plurality of arranged in the annular gap Nozzles for supplying a fuel and a swirl grid arranged in the annular gap.
- the invention particularly relates to such Burners for use in a gas turbine.
- EP 0 589 520 A1 and US Patents 5 165 241, 5 251 447, 5 323 604 and 5 351 477 are also of interest.
- Both books concern fans, especially fans of the axial type, which are identified by a rotating swirl grid, which a stream of a gas in Form of a swirl-free stream sucked along an axis and in the form of a swirled, accelerated current emits along the axis.
- a rotating swirl grid which a stream of a gas in Form of a swirl-free stream sucked along an axis and in the form of a swirled, accelerated current emits along the axis.
- the configuration of the burner resembles the configuration of one in many ways Fan, and essential theoretical foundations of a Fans can be used immediately. Really important is an effect in the present case that has anything to do with a swirl moving current along an axis Gases and regardless of how this electricity is provided was occurs.
- This effect is the formation of a Vortex core inside the stream, d. that is, one with one Swirl of moving current tends to become one To form a circular ring so that in a surrounding the axis Central area of a cylindrical tube in which the current is no longer flowing in the direction of the current takes place.
- a burner of the type mentioned in the introduction generally has the purpose of a fuel safely and low in pollutants in one Stream of an oxygen-containing gas, especially in compressed air to burn.
- an oxygen-containing gas especially in compressed air to burn.
- Fuels of this type are e.g. B. gases, which contain elemental hydrogen, for example Gases obtained from coal gasification and natural gases, the high proportions of longer chain hydrocarbons, whose ignition temperatures are significantly lower than that Ignition temperature of methane.
- premix combustion as it has so far been realized, not without problems was, especially because of premature inflammation a mixture of fuel and oxygenated Gas relatively easily does great damage to an affected person Can cause burners.
- a widespread method of Preventing a flashback is a narrowing of the Burner outlet and thus an acceleration of the fuel gas at the exit. In the event of a flashback however, the flame can penetrate far into the burner.
- a burner is specified with a Axis and one with respect to this rotationally symmetrical Arrangement of an outer jacket and an inner jacket coaxial therewith, which one from entry to exit reaching annular gap for guiding a flow of oxygen containing gas defined, with a variety of in the annular gap arranged nozzles for supplying a fuel to the stream and one arranged in the annular gap Swirl grille, the arrangement consisting of the outer jacket and the inner jacket is designed so that the current Annular gap between the swirl grille and the outlet with a essentially constant meridional speed flows through.
- the characteristic of the "essentially constant meridional speed" means that the current to flow through Arranging the current a substantially constant meridional flow cross section must oppose. This In many cases, however, the flow cross-section is not, for example perpendicular to an axis of symmetry of the flow Structure, but according to the Current descriptive vector field at an angle to the axis of symmetry and be dimensioned transversely to the vector field.
- a simple calculation model provides which does not have to explicitly take the current into account, one good approximation to determine the flow cross section along the arrangement to be flowed through: into the arrangement Tori inscribed, which covers both the surface of the The outer jacket and the surface of the inner jacket tangentially touch.
- the points are at which such Torus touches the outer jacket or the inner jacket a circle on the outer jacket or a circle on the inner jacket.
- One is clamped between these two circles Truncated cone surface; this has an area, which in a good approximation of the effective flow cross-section at the location of the Corresponds to the truncated cone.
- Computer programs are also available on a commercial basis With which flows through practically any shape Arrangements are predictable.
- the relevantly experienced and working people are, for example, the computer programs TASCFLOW and FLUENT known.
- a such a computer program used to use one of the simple calculation model described above Optimize structure is; there are of course no fundamental ones Objections, the present case with a three-dimensional Treat model.
- the invention is based on the knowledge that the guarantee a constant meridional speed for the Current behind the swirl grid, i.e. H. ensuring one constant rate of propagation of the current along the axis or in a radial-axial with respect to the axis Level, stabilizing itself in a special way on the current and the mixture of oxygen to be formed in this stream containing gas and the fuel affects.
- This measure ensures that disruptions due to non-ideal flow to the burner can be suppressed.
- a necessary pressure drop across the burner has to set, is to a large extent between the Entry and the swirl grille dismantled. That is also the danger prevents disturbances in the Electricity arise.
- the outer jacket is particularly important designed in such a way that at the entrance Lip or a rounded funnel opens; the inner jacket is at the entrance especially with a rounded Edge. This contributes to homogenization of the current passing through the burner and avoids that disturbances that formed in the stream in front of the burner have to continue into the burner.
- those arranged in the annular gap Nozzles for supplying a fuel are arranged in the swirl grille are.
- the swirl grid from hollow guide vanes in which the nozzles are arranged.
- the burner is designed such that one of the swirl grille, a radius of the outer jacket and a radius of the inner jacket to determine both radii on Exit, defined swirl number, which can be calculated as Quotient between an angular momentum as dividend and one Product of a meridional impulse and the radius of the Outer jacket as a divisor, with the angular momentum and the meridional Impulse characterize the current at the outlet, if which flows towards the entrance without swirl, is smaller than one critical swirl number, which is determined by the radii.
- the requirement that the corresponding design of the burner is known as the "hub criterion of Strscheletzky ".
- the swirl number is off characteristic quantities of the current, namely the size of a meridional component of its momentum as well as its size its angular momentum, which is essentially from the swirl grid is determined, it can be calculated that the swirl number is nevertheless a characteristic parameter of the burner itself is. This results from the fluid mechanics similarity relationships.
- critical swirl number has been coined on based on the observation that located near the axis a current moving with a swirl along the axis forms a so-called vortex core, d. H. an area, from which the current is essentially displaced. root cause centrifugal forces are one example.
- the diameter this vortex core is amenable to calculation; please refer the books cited. Basically, the diameter increases of the vortex core with increasing swirl number. Should be now the current move in a circular ring which defines is by the radius of the outer jacket of the burner as the outer radius and the radius of the inner jacket as the inner radius, so can only ensure that the flow against the inner jacket be if the to the given outer radius and the given swirl radius of the vortex core is smaller than the inner radius.
- the critical swirl number is in this Context defined as the twist number at which the radius of the vortex core of the current exactly the inner radius, d. H. corresponds to the radius of the inner jacket.
- the swirl number of the burner defined as explained is preferred chosen significantly smaller than the critical swirl number; in particular, the number of swirls of the burner is between 75% and 97% of the critical swirl number and lies particularly preferably at about 90% of the critical swirl number.
- the number of swirls of the burner is between 75% and 97% of the critical swirl number and lies particularly preferably at about 90% of the critical swirl number.
- the burner of any configuration is preferably provided with a pilot burner.
- This pilot burner comprises in particular a pilot burner arranged in the inner jacket, which delivers a small, stable burning flame where the mixture formed in the burner itself ignite from oxygen-containing gas and fuel can. This is important when regulating the fuel supply and thus a regulation of heat production the burner is desired. It has been shown that premix combustion without stabilization only in one relative narrow operating range, characterized by a relative exact chemical composition, stable is. Will, however, with an appropriate pilot burner provided additional stabilization, one can important extension of the operating area for practical operation can be achieved.
- the burner is particularly qualified for use in a Combustion device of a gas turbine and is in particular qualified for a gas turbine that is relatively flammable Fuels are to be burned.
- the burner is by no means limited to the combustion of gaseous Fuels; in principle, the burner can be in the appropriate Design with any flowable fuel, especially operated with heating oil and the like become.
- the burner shown in FIG. 1 is with respect to axis 1 rotationally symmetrical. It has an outer jacket 2 and one too this coaxial inner jacket 3. Neither the outer jacket 2 nor the inner jacket 3 must each be made in one piece; it is very possible and, for example, for the sake of rational production, advantageous, the outer jacket 2 and / or the inner jacket 3, as shown, from several parts put together. Define the outer jacket 2 and the inner jacket 3 an annular gap 4, which from an inlet 5 to an outlet 6 from a stream 7 (represented by arrows) an oxygen-containing gas is flowed through.
- An annular swirl 8 is arranged, consisting of a plurality of guide vanes 8, which one of the stream 7 Swirl imprints; this means that the stream 7 behind the Swirl grid 8 makes a helical movement about axis 1 executes. So he doesn't just have velocity vectors, those in radial-axial with respect to axis 1 Layers lie and accordingly according to the professional Terminology is meridional; the speed vectors have components behind the swirl grille 8, the tangential to axis 1 or to circles, their centers lie on axis 1 and lie in planes, which are oriented perpendicular to axis 1 are. Such tangential components can be according to the relevant terminology also referred to as "peripheral components become.
- the guide vanes 8 have nozzles 9 through which the Stream 7 is supplied with a fuel, in particular a combustible gas becomes. This initially mixes with the electricity without ignition, and the mixture formed ignites only in the area of the exit 6. The is accordingly Burner a premix burner.
- An essential feature of the burner is that the arrangement designed in such a way from the outer jacket 2 and the inner jacket 3 is that the current 7 the annular gap 4 between the swirl grid 8 and the outlet 6 with a substantially constant meridional Speed flows through.
- stream 7 in its direction of propagation, i.e. H. in a with respect to axis 1 meridional direction, no acceleration or experience delay.
- This requires a careful design, in particular of the outer casing 2 and the inner shell 3, since it may be desirable and in the illustrated Example is realized that the current 7 itself not just moved parallel to axis 1, but a part executes a movement directed radially inwards to axis 1. This inward movement must be balanced by an appropriate extension of the respective distance between the outer jacket 2 and the inner jacket 3; This is clearly recognizable from the drawing.
- the annular gap 4 narrows significantly; this narrowing results mainly from the fact that the Stream 7 is partly led radially inwards to axis 1, so that it is sufficient between the outer jacket 2 and the inner jacket 3 Maintain a largely constant distance.
- the outer jacket 2 is supportive in the area of the entrance 5 expanded approximately like a funnel, so that it becomes 5 opens like a rounded funnel or lip, and the inner jacket 3 has a rounded at the inlet 5 Edge 10.
- nozzles 9 which serve to deliver the fuel, has already been pointed out. These nozzles 9 are in the guide vanes 8 arranged, thus a particularly homogeneous interference to ensure the fuel in stream 7 without detaching the flow from the guide vanes 8 is coming.
- the fuel is supplied to the nozzles 9 through a fuel line 11 and an annular one and arranged on the inside of the inner jacket 3 fuel distribution space 12. From this fuel distribution room 12 Fuel through channels (not shown) in the inner jacket 3 and the guide vanes 8 flow to the nozzles 9.
- the geometry of the arrangement of the swirl grille 8, the outer jacket 2 and the inner jacket 3 is, as already detailed above explained, chosen such that a swirl number, which essential indicators of the current 7 determines if this in meridional direction at the entry 5 in the ring channel 4, is smaller than a critical swirl number, which is results from the radius of the outer jacket 2 and the radius of the Inner jacket 3 at the outlet 6.
- the critical swirl number is defined in such a way that a cylindrical flow through along a channel with the stated radius of the outer jacket 2 the axis 1 flows, forms a vortex core, so a area surrounding axis 1 from which the current displaces which has a radius that is the radius of the inner jacket 3 at outlet 6 corresponds.
- the geometric structure of the burner has been worked out with the help of common mathematical models.
- the default for defining the structure is in that the flow cross sections over the entire relevant ring channel 4 must be constant.
- the structure of the simple calculation model was then developed using the commercially available computer program TASCFLOW regarding the desired consistency of the flow cross section optimized via the ring channel 4.
- the inflammable mixture is ignited in stream 7 outside the burner.
- a pilot burner is provided for this 13 with one inside the inner jacket 3 arranged pilot burner 13. This delivers a small one Flame, which ensures that the combustible mixture ignited in the stream 7.
- a flame on the pilot burner 13 to ignite and maintain is an igniter 14 intended. In the event that from a special pilot burner 13, 14 is taken for granted a modified igniter to ignite the mixture to provide.
- FIG 2 shows a schematic illustration of a gas turbine with a compressor part 15 for suction and compression of Air, a combustion part 16, to which the compressed air is supplied which is also the one intended for combustion Receives fuel, and a turbine part 17, in which the of the compressor part 15 and compressed in the combustion part 16 additional heated electricity with submission of mechanical work is relaxed.
- the burner shown in FIG 1 is provided for installation in a combustion part 16 together with a A number of similar burners.
- the burner according to the invention is characterized by features with which a current passing through the burner Gases in a particularly favorable manner for the intended purpose being affected.
- the burner is characterized by a particularly stable operation and particularly avoids operational Disturbances due to non-ideal inflow or through flashbacks.
Description
Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einer Achse und einer bezüglich dieser rotationssymmetrischen Anordnung aus einem Außenmantel und einem dazu koaxialen Innenmantel, welche einen von einem Eintritt zu einem Austritt reichenden Ringspalt zur Führung eines Stromes eines Sauerstoff enthaltenden Gases definiert, mit einer Vielzahl von in dem Ringspalt angeordneten Düsen zur Zuführung eines Brennstoffes sowie einem in dem Ringspalt angeordneten Drallgitter.The invention relates to a burner with one axis and one with respect to this rotationally symmetrical arrangement of one Outer jacket and a coaxial inner jacket, which an annular gap extending from an entry to an exit for carrying a stream of an oxygen-containing Gases defined, with a plurality of arranged in the annular gap Nozzles for supplying a fuel and a swirl grid arranged in the annular gap.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen derartigen Brenner zur Verwendung in einer Gasturbine.The invention particularly relates to such Burners for use in a gas turbine.
Ein derartiger Brenner ist aus der EP 0 193 838 B1 sowie dem Aufsatz "Eine wirtschaftliche Lösung des NOx-Problems bei Gasturbinen" von H. Maghon, VGB Kraftwerkstechnik 68 (1988), 799, entnehmbar. Eine Weiterbildung dieses Brenners geht hervor aus der WO 92/19913 A1.Such a burner can be found in EP 0 193 838 B1 and the article "An economical solution to the NO x problem in gas turbines" by H. Maghon, VGB Kraftwerkstechnik 68 (1988), 799. A development of this burner is shown in WO 92/19913 A1.
In diesem Zusammenhang von Interesse sind auch die
EP 0 589 520 A1 sowie die US-Patente 5 165 241, 5 251 447,
5 323 604 und 5 351 477. Hinzuweisen ist auch auf den Aufsatz
"Dry Low NOx-Combustion Systems for GE Heavy-Duty Gas Turbines"
von L.B. Davis, Prospekt GER-3568C der GE Industrial
and Power Systems, Schenectady, NY, USA. Aus allen diesen Dokumenten
gehen Brenner bzw. Verbrennungsteile mit Brennern
zur Verwendung in Gasturbinen hervor.In this context, EP 0 589 520 A1 and US
Zu einschlägigen Lehren der Stromungsmechanik, die im vorliegenden
Zusammenhang von Bedeutung sind, wird hingewiesen
auf das Buch "Ventilatoren" von B. Eck, 5. Auflage, Springer-Verlag
Berlin, Heidelberg und New York 1972, Kapitel C, Seiten
283 bis 285, sowie das Buch "Axialkompressoren" von J.H.
Horlock, Verlag G. Braun, Karlsruhe 1967, DE, Ergänzung 4. Relevant teachings of flow mechanics, which are in the present
Context of importance is pointed out
on the book "Ventilatoren" by B. Eck, 5th edition, Springer-Verlag
Berlin, Heidelberg and New York 1972, Chapter C, pages
283 to 285, as well as the book "Axialkompressoren" by J.H.
Horlock, Verlag G. Braun, Karlsruhe 1967, DE,
Beide Bücher betreffen Ventilatoren, insbesondere Ventilatoren des axialen Typs, welche gekennzeichnet sind durch ein rotierendes Drallgitter, welches einen Strom eines Gases in Form eines drallfreien Stromes entlang einer Achse ansaugt und in Form eines drallbehafteten, beschleunigten Stromes entlang der Achse abgibt. Bei einem Brenner der beschriebenen Art gibt es ein feststehendes Drallgitter, welches von einem anderweitig beschleunigten, drallfreien Strom angeströmt wird und von dem dieser Strom mit einem Drall sowie einem gewissen Druckverlust abgegeben wird. Die Konfiguration des Brenners ähnelt somit in vielerlei Beziehung der Konfiguration eines Ventilators, und wesentliche theoretische Grundlagen eines Ventilators sind unmittelbar anwendbar. Von besonderer Bedeutung ist im vorliegenden Fall ein Effekt, der an jedwedem mit einem Drall sich entlang einer Achse fortbewegenden Strom eines Gases und unabhängig davon, wie dieser Strom bereitgestellt wurde, auftritt. Dieser Effekt ist die Bildung eines Wirbelkerns im Inneren des Stromes, d. h., daß ein mit einem Drall sich fortbewegender Strom dazu neigt, sich zu einem Kreisring zu formen, so daß in einem die Achse umgebenden Zentralbereich einer zylindrischen Röhre, in der der Strom geführt wird, keine Strömung in Richtung des Stromes mehr stattfindet.Both books concern fans, especially fans of the axial type, which are identified by a rotating swirl grid, which a stream of a gas in Form of a swirl-free stream sucked along an axis and in the form of a swirled, accelerated current emits along the axis. With a burner the described Art there is a fixed swirl grille, which of one otherwise accelerated, swirl-free current flows and of which this current with a twist and a certain Pressure loss is released. The configuration of the burner resembles the configuration of one in many ways Fan, and essential theoretical foundations of a Fans can be used immediately. Really important is an effect in the present case that has anything to do with a swirl moving current along an axis Gases and regardless of how this electricity is provided was occurs. This effect is the formation of a Vortex core inside the stream, d. that is, one with one Swirl of moving current tends to become one To form a circular ring so that in a surrounding the axis Central area of a cylindrical tube in which the current is no longer flowing in the direction of the current takes place.
Der Strom eines Gases durch eine weitgehend beliebig wählbare Anordnung von Begrenzungen, insbesondere durch einen Brenner, ist mit Mitteln der numerischen Mathematik berechenbar, wozu inzwischen entsprechende Computerprogramme kommerziell angeboten werden. Solche Computerprogramme sind den einschlägig bewanderten und tätigen Personen bekannt unter den Namen TASCFLOW und FLUENT.The flow of a gas through a largely arbitrary Arrangement of limits, in particular by a burner, can be calculated using numerical mathematics, for what Corresponding computer programs are now commercially available become. Such computer programs are relevant known to migrant and active persons under the names TASCFLOW and FLUENT.
Ein Brenner der in der Einleitung genannten Art hat generell den Zweck, einen Brennstoff sicher und schadstoffarm in einem Strom eines Sauerstoff enthaltenden Gases, insbesondere in verdichteter Luft, zu verbrennen. Zur Vermeidung der Bildung von Schadstoffen wie Stickoxiden und Kohlenmonoxid hat sich die Vormischverbrennung als günstig erwiesen; dazu wird zunächst eine möglichst homogene Mischung von Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas gebildet, und erst diese Mischung wird entzündet. Für eine solche Mischung besteht generell die Möglichkeit der vorzeitigen Entzündung, insbesondere unter den Bedingungen, die in einer Gasturbine zu erwarten sind und insbesondere dann, wenn ein relativ leicht entzündlicher Brennstoff oder ein solcher mit hoher Flammgeschwindigkeit verwendet werden soll. Brennstoffe dieser Art sind z. B. Gase, die elementaren Wasserstoff enthalten, beispielsweise Gase, die durch Kohlevergasung gewonnen werden, sowie Erdgase, die hohe Anteile an längerkettigen Kohlenwasserstoffen, deren Zündtemperaturen deutlich niedriger liegen als die Zündtemperatur von Methan, aufweisen.A burner of the type mentioned in the introduction generally has the purpose of a fuel safely and low in pollutants in one Stream of an oxygen-containing gas, especially in compressed air to burn. To avoid education of pollutants like nitrogen oxides and carbon monoxide premix combustion proved to be favorable; first of all a homogeneous mixture of fuel and oxygen-containing gas is formed, and only this mixture ignited. There is generally the possibility of such a mixture the premature inflammation, especially among the Conditions that can be expected in a gas turbine and especially when a relatively flammable Fuel or one with a high flame speed should be used. Fuels of this type are e.g. B. gases, which contain elemental hydrogen, for example Gases obtained from coal gasification and natural gases, the high proportions of longer chain hydrocarbons, whose ignition temperatures are significantly lower than that Ignition temperature of methane.
In einem Brenner, in dem eine derartige Vormischverbrennung realisiert ist, was in einigen der zitierten Dokumente beschrieben ist, insbesondere in der EP 0 193 838 B1 sowie der WO 92/19913 A1, können weitere Probleme auftauchen, wenn der Brenner nicht ideal angeströmt wird und sich dadurch die Mischung des sauerstoffhaltigen Gases mit dem Brennstoff verschlechtert. In einem solchen Fall ergibt sich bei der Verbrennung der Mischung eine inhomogene Temperaturverteilung und dementsprechend eine erhöhte Produktion von Stickoxiden; darüber hinaus begünstigt eine inhomogene Mischung eine vorzeitige Entzündung. Diese Erwägungen stehen einer Realisierung der Vormischverbrennung in einer Gasturbine, in der ein leichtentzündlicher Brennstoff verbrannt werden soll, durchaus entgegen. Sie zeigen auch, daß die Vormischverbrennung, wie sie bislang realisiert werden konnte, nicht frei von Problemen war, insbesondere deshalb, weil eine vorzeitige Entzündung einer Mischung aus Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas relativ leicht einen großen Schaden an einem betroffenen Brenner verursachen kann. Eine weitverbreitete Methode zur Verhinderung eines Flammenrückschlages ist eine Verengung des Brenneraustritts und somit eine Beschleunigung des Brenngases am Austritt. Bei einem dennoch erfolgenden Flammenrückschlag kann hierbei allerdings die Flamme weit in den Brenner vordringen.In a burner in which such premix combustion is realized what is described in some of the documents cited is, in particular in EP 0 193 838 B1 and the WO 92/19913 A1, further problems may arise if the The burner is not ideally flowed and the mixture of the oxygen-containing gas deteriorates with the fuel. In such a case, combustion results the mixture has an inhomogeneous temperature distribution and accordingly an increased production of nitrogen oxides; moreover, an inhomogeneous mixture favors premature mixing Inflammation. These considerations are a realization premix combustion in a gas turbine in which a highly flammable fuel should be burned, quite opposite. They also show that premix combustion, as it has so far been realized, not without problems was, especially because of premature inflammation a mixture of fuel and oxygenated Gas relatively easily does great damage to an affected person Can cause burners. A widespread method of Preventing a flashback is a narrowing of the Burner outlet and thus an acceleration of the fuel gas at the exit. In the event of a flashback however, the flame can penetrate far into the burner.
Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Brenner anzugeben, der so gestaltet ist, daß sich nach Möglichkeit keine Unregelmäßigkeiten in dem ihn durchströmenden Strom eines sauerstoffhaltigen Gases ausbilden und somit die Gefahr einer vorzeitigen Entzündung von Brennstoff in dem Strom vermieden ist.It is therefore the object of the invention to provide a burner which is designed so that if possible none Irregularities in the current flowing through it train oxygen-containing gas and thus the risk of avoided premature ignition of fuel in the stream is.
Zur Lösung dieser Aufgabe angegeben wird ein Brenner mit einer Achse und einer bezüglich dieser rotationssymmetrischen Anordnung aus einem Außenmantel und einem dazu koaxialen Innenmantel, welche einen von einem Eintritt zu einem Austritt reichenden Ringspalt zur Führung eines Stromes eines Sauerstoff enthaltenden Gases definiert, mit einer Vielzahl von in dem Ringspalt angeordneten Düsen zur Zuführung eines Brennstoffes zu dem Strom sowie einem in dem Ringspalt angeordneten Drallgitter, wobei die Anordnung aus dem Außenmantel und dem Innenmantel derart gestaltet ist, daß der Strom den Ringspalt zwischen dem Drallgitter und dem Austritt mit einer im wesentlichen konstanten meridionalen Geschwindigkeit durchfließt.To solve this problem, a burner is specified with a Axis and one with respect to this rotationally symmetrical Arrangement of an outer jacket and an inner jacket coaxial therewith, which one from entry to exit reaching annular gap for guiding a flow of oxygen containing gas defined, with a variety of in the annular gap arranged nozzles for supplying a fuel to the stream and one arranged in the annular gap Swirl grille, the arrangement consisting of the outer jacket and the inner jacket is designed so that the current Annular gap between the swirl grille and the outlet with a essentially constant meridional speed flows through.
Das Merkmal der "im wesentlichen konstanten meridionalen Geschwindigkeit" bedeutet, daß die von dem Strom zu durchflieβende Anordnung dem Strom einen im wesentlichen konstanten meridionalen Strömungsquerschnitt entgegensetzen muß. Dieser Strömungsquerschnitt wird vielfach allerdings nicht beispielsweise senkrecht zu einer Symmetrieachse der zu durchfließenden Struktur liegen, sondern entsprechend einem den Strom beschreibenden Vektorfeld winklig zur Symmetrieachse und transversal zu dem Vektorfeld zu bemessen sein.The characteristic of the "essentially constant meridional speed" means that the current to flow through Arranging the current a substantially constant meridional flow cross section must oppose. This In many cases, however, the flow cross-section is not, for example perpendicular to an axis of symmetry of the flow Structure, but according to the Current descriptive vector field at an angle to the axis of symmetry and be dimensioned transversely to the vector field.
In diesem Zusammenhang liefert ein einfaches Rechenmodell, welches den Strom nicht explizit berücksichtigen muß, eine gute Näherung zur Ermittlung des Strömungsquerschnitts entlang der zu durchströmenden Anordnung: In die Anordnung werden Tori einbeschrieben, welche sowohl die Oberfläche des Außenmantels als auch die Oberfläche des Innenmantels tangential berühren. Dabei liegen die Punkte, an denen ein solcher Torus den Außenmantel oder den Innenmantel berührt, auf einem Kreis auf dem Außenmantel bzw. einem Kreis auf dem Innenmantel. Zwischen diese beiden Kreise eingespannt wird eine Kegelstumpffläche; diese hat einen Flächeninhalt, welcher in guter Näherung dem wirksamen Strömungsquerschnitt am Ort der Kegelstumpffläche entspricht.In this context, a simple calculation model provides which does not have to explicitly take the current into account, one good approximation to determine the flow cross section along the arrangement to be flowed through: into the arrangement Tori inscribed, which covers both the surface of the The outer jacket and the surface of the inner jacket tangentially touch. The points are at which such Torus touches the outer jacket or the inner jacket a circle on the outer jacket or a circle on the inner jacket. One is clamped between these two circles Truncated cone surface; this has an area, which in a good approximation of the effective flow cross-section at the location of the Corresponds to the truncated cone.
Außerdem stehen auf kommerzieller Basis Computerprogramme zur Verfügung, mit denen Ströme durch praktisch beliebig gestaltete Anordnungen berechenbar sind. Den einschlägig bewanderten und tätigen Personen sind beispielsweise die Computerprogramme TASCFLOW und FLUENT bekannt. Vorzugsweise wird ein solches Computerprogramm eingesetzt, um eine unter Benutzung des vorstehend beschriebenen einfachen Rechenmodells erstellte Struktur zu optimieren. Zum vorliegenden Fall bemerkt sei, daß dieser aufgrund der vorliegenden Rotationssymmetrie grundsätzlich im Rahmen eines zweidimensionalen Modells behandelbar ist; es gibt selbstverständlich keine grundsätzlichen Einwände, vorliegenden Fall mit einem dreidimensionalen Modell zu behandeln.Computer programs are also available on a commercial basis With which flows through practically any shape Arrangements are predictable. The relevantly experienced and working people are, for example, the computer programs TASCFLOW and FLUENT known. Preferably a such a computer program used to use one of the simple calculation model described above Optimize structure. Noted on the present case be that this due to the existing rotational symmetry basically treatable in the context of a two-dimensional model is; there are of course no fundamental ones Objections, the present case with a three-dimensional Treat model.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß die Gewährleistung einer konstanten meridionalen Geschwindigkeit für den Strom hinter dem Drallgitter, d. h. die Gewährleistung einer konstanten Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Stromes entlang der Achse bzw. in einer bezüglich der Achse radial-axialen Ebene, sich in besonderer Weise stabilisierend auf den Strom und die in diesem Strom zu bildende Mischung aus dem Sauerstoff enthaltenden Gas und dem Brennstoff auswirkt. Insbesondere gewährleistet diese Maßnahme, daß Störungen aufgrund einer nicht-idealen Anströmung des Brenners unterdrückt werden. Ein notwendiges Druckgefälle, welches sich über dem Brenner einstellen muß, wird zu einem wesentlichen Teil zwischen dem Eintritt und dem Drallgitter abgebaut. Damit ist auch die Gefahr verhindert, daß hinter dem Drallgitter Störungen in dem Strom entstehen. The invention is based on the knowledge that the guarantee a constant meridional speed for the Current behind the swirl grid, i.e. H. ensuring one constant rate of propagation of the current along the axis or in a radial-axial with respect to the axis Level, stabilizing itself in a special way on the current and the mixture of oxygen to be formed in this stream containing gas and the fuel affects. In particular This measure ensures that disruptions due to non-ideal flow to the burner can be suppressed. A necessary pressure drop across the burner has to set, is to a large extent between the Entry and the swirl grille dismantled. That is also the danger prevents disturbances in the Electricity arise.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung des Brenners ist die Anordnung aus dem Außenmantel und dem Innenmantel derart gestaltet, daß sich der Ringspalt zwischen dem Eintritt und dem Drallgitter verengt. Hierzu ist der Außenmantel insbesondere so gestaltet, daß er sich am Eintritt nach Art einer Lippe oder eines abgerundeten Trichters öffnet; der Innenmantel ist am Eintritt insbesondere mit einer abgerundeten Kante ausgestattet. Dies trägt bei zu einer Homogenisierung des den Brenner durchsetzenden Stromes und vermeidet, daß sich Störungen, die sich vor dem Brenner in dem Strom ausgebildet haben, in den Brenner hinein fortsetzen.In the context of a preferred further development of the burner the arrangement of the outer jacket and the inner jacket in such a way designed that the annular gap between the entrance and the swirl grid narrowed. For this purpose, the outer jacket is particularly important designed in such a way that at the entrance Lip or a rounded funnel opens; the inner jacket is at the entrance especially with a rounded Edge. This contributes to homogenization of the current passing through the burner and avoids that disturbances that formed in the stream in front of the burner have to continue into the burner.
Bevorzugt ist es auch, daß die in dem Ringspalt angeordneten Düsen zur Zuführung eines Brennstoffes in dem Drallgitter angeordnet sind. Hierzu besteht das Drallgitter insbesondere aus hohlen Leitschaufeln, in denen die Düsen angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine besonders homogene Einmischung des Brennstoffes in den Strom erreicht werden, was während der Verbrennung eine gleichmäßige Temperaturverteilung in dem Strom gewährleistet und somit der übermäßigen Entstehung von Stickoxiden wirksam vorbeugt.It is also preferred that those arranged in the annular gap Nozzles for supplying a fuel are arranged in the swirl grille are. For this purpose, there is in particular the swirl grid from hollow guide vanes in which the nozzles are arranged. In this way, a particularly homogeneous interference of the Fuel in the stream can be achieved during the Combustion even temperature distribution in the Guaranteed electricity and thus the excessive emergence of Effectively prevents nitrogen oxides.
Mit besonderem vorzug ist der Brenner derart ausgebildet, daß eine von dem Drallgitter, einem Radius des Außenmantels und einem Radius des Innenmantels, beide Radien zu bestimmen am Austritt, definierte Drallzahl, welche berechenbar ist als Quotient zwischen einem Drehimpuls als Dividend und einem Produkt aus einem meridionalen Impuls und dem Radius des Außenmantels als Divisor, wobei der Drehimpuls und der meridionale Impuls den Strom am Austritt charakterisieren, wenn dieser den Eintritt ohne Drall anströmt, kleiner ist als eine kritische Drallzahl, welche bestimmt ist durch die Radien. Die Forderung, die der entsprechenden Ausgestaltung des Brenners zugrunde liegt, ist bekannt als "Nabenkriterium von Strscheletzky". With particular preference, the burner is designed such that one of the swirl grille, a radius of the outer jacket and a radius of the inner jacket to determine both radii on Exit, defined swirl number, which can be calculated as Quotient between an angular momentum as dividend and one Product of a meridional impulse and the radius of the Outer jacket as a divisor, with the angular momentum and the meridional Impulse characterize the current at the outlet, if which flows towards the entrance without swirl, is smaller than one critical swirl number, which is determined by the radii. The requirement that the corresponding design of the burner is known as the "hub criterion of Strscheletzky ".
Zunächst sei darauf hingewiesen, daß die Drallzahl zwar aus charakteristischen Größen des Stromes, nämlich der Größe einer meridionalen Komponente seines Impulses sowie der Größe seines Drehimpulses, welcher wesentlich von dem Drallgitter bestimmt wird, berechenbar ist, daß die Drallzahl aber dennoch eine charakteristische Kenngröße des Brenners selbst ist. Dies ergibt sich aus den strömungsmechanischen Ähnlichkeitsbeziehungen.First of all, it should be noted that the swirl number is off characteristic quantities of the current, namely the size of a meridional component of its momentum as well as its size its angular momentum, which is essentially from the swirl grid is determined, it can be calculated that the swirl number is nevertheless a characteristic parameter of the burner itself is. This results from the fluid mechanics similarity relationships.
Der Begriff der "kritischen Drallzahl" ist geprägt worden auf der Grundlage der Beobachtung, daß sich in der Nähe der Achse eines sich mit einem Drall entlang der Achse bewegenden Stromes ein sogenannter Wirbelkern ausbildet, d. h. ein Gebiet, aus dem der Strom im wesentlichen verdrängt wird. Ursache hierfür sind beispielsweise Zentrifugalkräfte. Der Durchmesser dieses Wirbelkerns ist der Berechnung zugänglich; siehe hierzu die zitierten Bücher. Grundsätzlich steigt der Durchmesser des Wirbelkerns mit zunehmender Drallzahl. Soll sich nun der Strom bewegen in einem Kreisring, welcher definiert ist durch den Radius des Außenmantels des Brenners als Außenradius und den Radius den Innenmantels als Innenradius, so kann ein Anliegen der Strömung am Innenmantel nur dann gewährleistet sein, wenn der sich zu dem gegebenen Außenradius und der gegebenen Drallzahl ergebende Radius des Wirbelkerns kleiner ist als der Innenradius. Ist der Radius des Wirbelkerns größer als der Innenradius, so bedeutet dies, daß es zu einer Ablösung der Strömung vom Innenmantel kommt, mit der sich in unmittelbar einsichtiger Weise ergebenden Gefahr, daß es zu einer Rückströmung in den Brenner hinein und zu einer erheblichen Gefahr der vorzeitigen Entzündung des Brennstoffes in dem Strom kommt. Die kritische Drallzahl ist in diesem Zusammenhang definiert als diejenige Drallzahl, bei welcher der Radius des Wirbelkerns des Stromes genau dem Innenradius, d. h. dem Radius des Innenmantels, entspricht.The term "critical swirl number" has been coined on based on the observation that located near the axis a current moving with a swirl along the axis forms a so-called vortex core, d. H. an area, from which the current is essentially displaced. root cause centrifugal forces are one example. The diameter this vortex core is amenable to calculation; please refer the books cited. Basically, the diameter increases of the vortex core with increasing swirl number. Should be now the current move in a circular ring which defines is by the radius of the outer jacket of the burner as the outer radius and the radius of the inner jacket as the inner radius, so can only ensure that the flow against the inner jacket be if the to the given outer radius and the given swirl radius of the vortex core is smaller than the inner radius. Is the radius of the vortex core larger than the inner radius, it means that there is too a detachment of the flow from the inner jacket with which immediately apparent risk that it flows back into the burner and into one considerable risk of premature ignition of the fuel in the stream comes. The critical swirl number is in this Context defined as the twist number at which the radius of the vortex core of the current exactly the inner radius, d. H. corresponds to the radius of the inner jacket.
Die wie erläutert definierte Drallzahl des Brenners wird vorzugsweise deutlich kleiner als die kritische Drallzahl gewählt; insbesondere beträgt die Drallzahl des Brenners zwischen 75 % und 97 % der kritischen Drallzahl und liegt besonders bevorzugt bei etwa 90 % der kritischen Drallzahl. Hierdurch ist zwischen der tatsächlichen Geometrie des Brenners und einer als "kritisch" anzusehenden Geometrie ein gewisser Sicherheitsabstand und somit gewissermaßen eine quantitative Sicherheit gegen eine Ablösung der Strömung vom Innenmantel gegeben.The swirl number of the burner defined as explained is preferred chosen significantly smaller than the critical swirl number; in particular, the number of swirls of the burner is between 75% and 97% of the critical swirl number and lies particularly preferably at about 90% of the critical swirl number. Hereby is between the actual geometry of the burner and a certain of a geometry to be regarded as "critical" Safety distance and thus a quantitative one Security against separation of the flow from the inner jacket given.
Der Brenner jedweder Ausgestaltung ist vorzugsweise versehen mit einer Pilotbrenneinrichtung. Diese Pilotbrenneinrichtung umfaßt insbesondere einen in dem Innenmantel angeordneten Pilotbrenner, welcher eine kleine, stabil brennende Flamme liefert, an der sich die in dem Brenner selbst gebildete Mischung aus Sauerstoff enthaltendem Gas und Brennstoff entzünden kann. Dies ist dann von Bedeutung, wenn eine Regelung der Brennstoffzufuhr und damit eine Regelung der Wärmeproduktion des Brenners erwünscht ist. Es hat sich gezeigt, daß eine Vormischverbrennung ohne Stabilisierung nur in einem relativ engen Betriebsbereich, gekennzeichnet durch eine relativ genau einzuhaltende chemische Zusammensetzung, stabil ist. Wird mit einer entsprechenden Pilotbrenneinrichtung jedoch zusätzliche Stabilisierung bereitgestellt, so kann eine für den praktischen Betrieb wichtige Erweiterung des Betriebsbereichs erreicht werden.The burner of any configuration is preferably provided with a pilot burner. This pilot burner comprises in particular a pilot burner arranged in the inner jacket, which delivers a small, stable burning flame where the mixture formed in the burner itself ignite from oxygen-containing gas and fuel can. This is important when regulating the fuel supply and thus a regulation of heat production the burner is desired. It has been shown that premix combustion without stabilization only in one relative narrow operating range, characterized by a relative exact chemical composition, stable is. Will, however, with an appropriate pilot burner provided additional stabilization, one can important extension of the operating area for practical operation can be achieved.
Der Brenner ist besonders qualifiziert zum Einsatz in einer Verbrennungseinrichtung einer Gasturbine und ist insbesondere qualifiziert für eine Gasturbine, in der relativ leicht entzündliche Brennstoffe verbrannt werden sollen. Der Brenner ist dabei durchaus nicht beschränkt auf die Verbrennung gasförmiger Brennstoffe; grundsätzlich kann der Brenner in entsprechender Ausgestaltung mit jedwedem fließfähigen Brennstoff, insbesondere mit Heizöl und dergleichen, betrieben werden. The burner is particularly qualified for use in a Combustion device of a gas turbine and is in particular qualified for a gas turbine that is relatively flammable Fuels are to be burned. The burner is by no means limited to the combustion of gaseous Fuels; in principle, the burner can be in the appropriate Design with any flowable fuel, especially operated with heating oil and the like become.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung geht aus der Zeichnung hervor. Diese zeigt:
- In FIG 1
- einen Längsschnitt durch einen Brenner;
- in FIG 2
- ein Schema einer Gasturbine
- In FIG. 1
- a longitudinal section through a burner;
- in FIG. 2
- a schematic of a gas turbine
Der in FIG 1 dargestellte Brenner ist bezüglich der Achse 1
rotationssymmetrisch. Er hat einen Außenmantel 2 und einen zu
diesem koaxialen Innenmantel 3. Weder der Außenmantel 2 noch
der Innenmantel 3 müssen jeweils einteilig ausgeführt sein;
es ist sehr wohl möglich und, beispielsweise aus Gründen der
rationellen Fertigung, vorteilhaft, den Außenmantel 2
und/oder den Innenmantel 3, wie gezeigt, aus mehreren Teilen
zusammenzusetzen. Der Außenmantel 2 und der Innenmantel 3 definieren
einen Ringspalt 4, welcher von einem Eintritt 5 zu
einem Austritt 6 von einem Strom 7 (durch Pfeile dargestellt)
eines Sauerstoff enthaltenden Gases durchströmt wird. Im
Ringspalt 4 angeordnet ist ein Drallgitter 8, bestehend aus
einer Mehrzahl von Leitschaufeln 8, welches dem Strom 7 einen
Drall aufprägt; dies bedeutet, daß der Strom 7 hinter dem
Drallgitter 8 eine schraubenförmige Bewegung um die Achse 1
ausführt. Er hat demgemäß also nicht allein Geschwindigkeitsvektoren,
die in bezüglich der Achse 1 radial-axialen
Ebenen liegen und dementsprechend gemäß der fachmännischen
Terminologie meridional orientiert sind; die Geschwindigkeitsvektoren
haben hinter dem Drallgitter 8 auch Komponenten,
die tangential zur Achse 1 bzw. zu Kreisen, deren Mittelpunkte
auf der Achse 1 liegen und die in Ebenen liegen,
welche senkrecht zur Achse 1 ausgerichtet sind, orientiert
sind. Solche tangentialen Komponenten können entsprechend der
einschlägigen Terminologie auch als "Umfangskomponenten bezeichnet
werden.The burner shown in FIG. 1 is with respect to axis 1
rotationally symmetrical. It has an outer jacket 2 and one too
this coaxial
Die Leitschaufeln 8 weisen Düsen 9 auf, durch welche dem
Strom 7 ein Brennstoff, insbesondere ein brennbares Gas, zugeführt
wird. Dieser vermischt sich mit dem Strom zunächst
ohne Entzündung, und die gebildete Mischung entzündet sich
erst im Bereich des Austrittes 6. Dementsprechend ist der
Brenner ein Vormischbrenner.The
Ein wesentliches Merkmal des Brenners ist, daß die Anordnung
aus dem Außenmantel 2 und dem Innenmantel 3 derart gestaltet
ist, daß der Strom 7 den Ringspalt 4 zwischen dem Drallgitter
8 und dem Austritt 6 mit einer im wesentlichen konstanten meridionalen
Geschwindigkeit durchfließt. Dies bedeutet, daß
der Strom 7 in seiner Ausbreitungsrichtung, d. h. in einer
bezüglich der Achse 1 meridionalen Richtung, keinerlei Beschleunigung
oder Verzögerung erfahren soll. Hierzu bedarf es
einer sorgfältigen Auslegung insbesondere des Außenmantels 2
und des Innenmantels 3, da es erwünscht sein kann und im dargestellten
Beispiel realisiert ist, daß der Strom 7 sich
nicht einfach parallel zur Achse 1 bewegt, sondern eine teilweise
radial einwärts zur Achse 1 gerichtete Bewegung ausführt.
Diese Bewegung nach innen muß ausgeglichen werden
durch eine entsprechende Erweiterung des jeweiligen Abstandes
zwischen dem Außenmantel 2 und dem Innenmantel 3; dies ist
aus der Zeichnung deutlich erkennbar.An essential feature of the burner is that the arrangement
designed in such a way from the outer jacket 2 and the
Vor dem Drallgitter 8 verengt sich der Ringspalt 4 deutlich;
diese Verengung ergibt sich hauptsächlich dadurch, daß der
Strom 7 teilweise radial einwärts zur Achse 1 geführt wird,
so daß es ausreicht, zwischen dem Außenmantel 2 und dem Innenmantel
3 einen weitgehend konstanten Abstand einzuhalten.
Unterstützend ist der Außenmantel 2 im Bereich des Eintritts
5 etwa trichterartig erweitert, so daß er sich am Eintritt 5
nach Art eines abgerundeten Trichters oder einer Lippe öffnet,
und der Innenmantel 3 hat am Eintritt 5 eine abgerundete
Kante 10.In front of the
Auf die Düsen 9, die der Zustellung des Brennstoffes dienen,
wurde bereits hingewiesen. Diese Düsen 9 sind in den Leitschaufeln
8 angeordnet, um somit eine besonders homogene Einmischung
des Brennstoffes in den Strom 7 sicherzustellen,
ohne daß es zu Ablösungen der Strömung von den Leitschaufeln
8 kommt. Die Zuführung von Brennstoff zu den Düsen 9 geschieht
durch eine Brennstoffleitung 11 und einen ringförmig
und innenseitig am Innenmantel 3 angeordneten Brennstoffverteilraum
12. Aus diesem Brennstoffverteilraum 12 kann der
Brennstoff durch (nicht dargestellte) Kanäle im Innenmantel 3
und den Leitschaufeln 8 zu den Düsen 9 fließen.On the
Die Geometrie der Anordnung aus dem Drallgitter 8, dem Auβenmantel
2 und dem Innenmantel 3 ist, wie bereits oben eingehend
erläutert, derart gewählt, daß eine Drallzahl, welche
wesentliche Kennzahlen des Stromes 7 bestimmt, wenn dieser in
meridionaler Richtung am Eintritt 5 in dem Ringkanal 4 eintritt,
kleiner ist als eine kritische Drallzahl, welche sich
ergibt aus dem Radius des Außenmantels 2 und dem Radius des
Innenmantels 3 am Austritt 6. Die kritische Drallzahl ist
derart definiert, daß eine zylindrische Strömung, die durch
einen Kanal mit dem genannten Radius des Außenmantels 2 entlang
der Achse 1 strömt, einen Wirbelkern ausbildet, also ein
die Achse 1 umgebendes Gebiet, aus dem die Strömung verdrängt
ist, welches einen Radius hat, der dem Radius des Innenmantels
3 am Austritt 6 entspricht. Falls die Strömung in dem
Ringspalt 4 eine Drallzahl hat, die die kritische Drallzahl
überschreitet, so bedeutet dies, daß sich am Austritt 6 in
dieser Strömung ein Wirbelkern bildet, der einen größeren Radius
hat als der Innenmantel 3 im Bereich des Austritts 6. In
einem solchen Fall könnte der Strom 7 im Bereich des Austritts
6 nicht mehr am Innenmantel 3 anliegen, sondern müßte
sich von diesem ablösen. Dann aber müßte sich am Innenmantel
3 ein Rückströmgebiet ausbilden, in welchem Gas in den Ringkanal
4 zurückströmen könnte. Hiermit wäre eine erhebliche
Gefahr der vorzeitigen Entzündung des brennbaren Gemisches in
dem Strom 7 verbunden. Dementsprechend ist der Brenner so
ausgelegt, daß diese Gefahr ausgeschlossen ist.The geometry of the arrangement of the
Die geometrische Struktur des Brenners ist erarbeitet worden
unter Zuhilfenahme geläufiger mathematischer Modelle. Dabei
hat zunächst das oben beschriebene einfache Rechenmodell Einsatz
gefunden, bei dem zwischen den Außenmantel 2 und den Innenmantel
3 Tori einbeschrieben werden, mit deren Hilfe Näherungswerte
für die Strömungsquerschnitte in der Anordnung bestimmt
werden. Die Vorgabe zur Festlegung der Struktur lautet
dahingehend, daß die Strömungsquerschnitte über den gesamten
maßgeblichen Ringkanal 4 konstant sein müssen. Die mit Hilfe
des einfachen Rechenmodells erarbeitete Struktur wurde anschließend
unter Benutzung des kommerziell verfügbaren Computerprogramms
TASCFLOW hinsichtlich der gewünschten Konstanz
des Strömungsquerschnitts über den Ringkanal 4 optimiert.The geometric structure of the burner has been worked out
with the help of common mathematical models. there
initially uses the simple calculation model described above
found in the between the outer jacket 2 and the
Die Entzündung des brennbaren Gemisches in dem Strom 7 erfolgt
außerhalb des Brenners. Hierfür vorgesehen ist eine Pilotbrenneinrichtung
13 mit einem im Inneren des Innenmantels
3 angeordneten Pilotbrenner 13. Dieser liefert eine kleine
Flamme, welche sicherstellt, daß sich die brennbare Mischung
in dem Strom 7 entzündet. Um eine Flamme an dem Pilotbrenner
13 zu entzünden und aufrechtzuerhalten, ist ein Zünder 14
vorgesehen. Für den Fall, daß von einer besonderen Pilotbrenneinrichtung
13, 14 abgesehen wird, ist selbstverständlich
ein abgewandelter Zünder zur Entzündung der Mischung
vorzusehen.The inflammable mixture is ignited in stream 7
outside the burner. A pilot burner is provided for this
13 with one inside the
FIG 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasturbine
mit einem Verdichterteil 15 zur Ansaugung und Verdichtung von
Luft, einem Verbrennungsteil 16, dem die verdichtete Luft zugeführt
wird, das außerdem den zur Verbrennung vorgesehenen
Brennstoff erhält, und einem Turbinenteil 17, in dem der von
dem Verdichterteil 15 verdichtete und in dem Verbrennungsteil
16 zusätzlich erhitzte Strom unter Abgabe mechanischer Arbeit
entspannt wird. Der in FIG 1 dargestellte Brenner ist vorgesehen
zum Einbau in ein Verbrennungsteil 16 zusammen mit einer
Mehrzahl gleichartiger Brenner.2 shows a schematic illustration of a gas turbine
with a
Der erfindungsgemäße Brenner ist gekennzeichnet durch Merkmale, mit welchen ein den Brenner durchsetzender Strom eines Gases in für den angestrebten Zweck besonders günstiger Weise beeinflußt wird. Der Brenner zeichnet sich aus durch einen besonders stabilen Betrieb und vermeidet insbesondere betriebliche Störungen aufgrund nicht-idealer Anströmung oder durch Flammenrückschläge.The burner according to the invention is characterized by features with which a current passing through the burner Gases in a particularly favorable manner for the intended purpose being affected. The burner is characterized by a particularly stable operation and particularly avoids operational Disturbances due to non-ideal inflow or through flashbacks.
Claims (12)
- Burner with an axis (1) and with an arrangement rotationally symmetrical relative to the latter and consisting of an outer casing (2) and of an inner casing (3) coaxial thereto, the said arrangement defining an annular gap (4) extending from an inlet (5) to an outlet (6) and intended for guiding a stream (7) of oxygen-containing gas, with a multiplicity of nozzles (9) arranged in the annular gap (4) and intended for supplying a fuel to the stream (7) and with a swirl lattice (8) arranged in the annular gap (4), characterized in that the arrangement consisting of the outer casing (2) and of the inner casing (3) is designed in such a way that the stream (7) flows through the annular gap (4) between the swirl lattice (8) and the outlet (6) at an essentially constant meridional velocity.
- Burner according to Claim 1, in which the arrangement consisting of the outer casing (2) and of the inner casing (3) is designed in such a way that the annular gap (4) narrows between the inlet (5) and the swirl lattice (8).
- Burner according to Claim 2, in which the outer casing (2) opens at the inlet (5) in the manner of a lip.
- Burner according to Claim 2 or 3, in which the inner casing (3) has a rounded edge (10) at the inlet (5).
- Burner according to one of the preceding claims, in which the nozzles (9) are arranged in the swirl lattice (8).
- Burner according to Claim 5, in which the swirl lattice (8) consists of guide blades (8) and the nozzles (9) are arranged in the guide blades (8).
- Burner according to one of the preceding claims, in which a) the swirl lattice (8), a radius of the outer casing (2) and a radius of the inner casing (3), the said radii being determined at the outlet (6), define a swirl coefficient which is a quotient between a moment of momentum as the dividend and a product of a meridional momentum and the radius of the outer casing (2) as the divisor, the moment of momentum and the meridional momentum characterizing the stream (7) at the outlet (6) when the latter flows to the inlet (5) without a swirl; b) the swirl coefficient is lower than a critical swirl coefficient which is determined by the radii.
- Burner according to Claim 7, in which the swirl coefficient is between 75 % and 97 % of the critical swirl coefficient.
- Burner according to Claim 8, in which the swirl coefficient is approximately 90 % of the critical swirl coefficient.
- Burner according to one of the preceding claims, which has a pilot-burning device (13, 14).
- Burner according to Claim 10, in which the pilot-burning device (13, 14) comprises a pilot burner (13) arranged in the inner casing (3).
- Burner according to the preceding claims, which is used in a combustion part (16) of a gas turbine (15, 16, 17).
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19535287 | 1995-09-22 | ||
DE19535287 | 1995-09-22 | ||
PCT/DE1996/001756 WO1997011311A2 (en) | 1995-09-22 | 1996-09-17 | Burner, in particular for a gas turbine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EP0851990A2 EP0851990A2 (en) | 1998-07-08 |
EP0851990B1 true EP0851990B1 (en) | 2001-12-05 |
Family
ID=7772905
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EP96942244A Expired - Lifetime EP0851990B1 (en) | 1995-09-22 | 1996-09-17 | Burner, in particular for a gas turbine |
Country Status (7)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6038864A (en) |
EP (1) | EP0851990B1 (en) |
JP (1) | JP3939756B2 (en) |
DE (1) | DE59608389D1 (en) |
ES (1) | ES2169273T3 (en) |
RU (1) | RU2156405C2 (en) |
WO (1) | WO1997011311A2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019020350A1 (en) | 2017-07-27 | 2019-01-31 | Siemens Aktiengesellschaft | Gas turbine burner having premixed beam flames |
Families Citing this family (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0925470B1 (en) * | 1996-09-09 | 2000-03-08 | Siemens Aktiengesellschaft | Process and device for burning fuel in air |
JP2001510885A (en) * | 1997-07-17 | 2001-08-07 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | Burner device for combustion equipment, especially for gas turbine combustors |
US6161387A (en) * | 1998-10-30 | 2000-12-19 | United Technologies Corporation | Multishear fuel injector |
DE10104695B4 (en) * | 2001-02-02 | 2014-11-20 | Alstom Technology Ltd. | Premix burner for a gas turbine |
US6551098B2 (en) * | 2001-02-22 | 2003-04-22 | Rheem Manufacturing Company | Variable firing rate fuel burner |
US6539721B2 (en) | 2001-07-10 | 2003-04-01 | Pratt & Whitney Canada Corp. | Gas-liquid premixer |
US6698208B2 (en) * | 2001-12-14 | 2004-03-02 | Elliott Energy Systems, Inc. | Atomizer for a combustor |
US6786047B2 (en) | 2002-09-17 | 2004-09-07 | Siemens Westinghouse Power Corporation | Flashback resistant pre-mix burner for a gas turbine combustor |
US6848260B2 (en) | 2002-09-23 | 2005-02-01 | Siemens Westinghouse Power Corporation | Premixed pilot burner for a combustion turbine engine |
EP1645805A1 (en) * | 2004-10-11 | 2006-04-12 | Siemens Aktiengesellschaft | burner for fluidic fuels and method for operating such a burner |
US7370466B2 (en) * | 2004-11-09 | 2008-05-13 | Siemens Power Generation, Inc. | Extended flashback annulus in a gas turbine combustor |
EP1944547A1 (en) | 2007-01-15 | 2008-07-16 | Siemens Aktiengesellschaft | Method of controlling a fuel split |
US20080276622A1 (en) * | 2007-05-07 | 2008-11-13 | Thomas Edward Johnson | Fuel nozzle and method of fabricating the same |
US8113000B2 (en) * | 2008-09-15 | 2012-02-14 | Siemens Energy, Inc. | Flashback resistant pre-mixer assembly |
EP2312215A1 (en) | 2008-10-01 | 2011-04-20 | Siemens Aktiengesellschaft | Burner and Method for Operating a Burner |
EP2236934A1 (en) * | 2009-03-18 | 2010-10-06 | Siemens Aktiengesellschaft | Burner assembly |
EP2264370B1 (en) * | 2009-06-16 | 2012-10-10 | Siemens Aktiengesellschaft | Burner assembly for a firing assembly for firing fluid fuels and method for operating such a burner assembly |
US8387393B2 (en) * | 2009-06-23 | 2013-03-05 | Siemens Energy, Inc. | Flashback resistant fuel injection system |
WO2012118397A1 (en) * | 2011-02-28 | 2012-09-07 | Открытое Акционерное Общество "Силовые Машины - Зтл, Лмз, Электросила, Энергомашэкспорт" (Оао "Силовые Машины") | Burner |
US9046262B2 (en) * | 2011-06-27 | 2015-06-02 | General Electric Company | Premixer fuel nozzle for gas turbine engine |
Family Cites Families (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US33896A (en) * | 1861-12-10 | Improved automatic | ||
US3589127A (en) * | 1969-02-04 | 1971-06-29 | Gen Electric | Combustion apparatus |
US4013377A (en) * | 1975-10-08 | 1977-03-22 | Westinghouse Electric Corporation | Intermediate transition annulus for a two shaft gas turbine engine |
US4365753A (en) * | 1980-08-22 | 1982-12-28 | Parker-Hannifin Corporation | Boundary layer prefilmer airblast nozzle |
EP0193838B1 (en) * | 1985-03-04 | 1989-05-03 | Siemens Aktiengesellschaft | Burner disposition for combustion installations, especially for combustion chambers of gas turbine installations, and method for its operation |
EP0276696B1 (en) * | 1987-01-26 | 1990-09-12 | Siemens Aktiengesellschaft | Hybrid burner for premix operation with gas and/or oil, particularly for gas turbine plants |
US4801261A (en) * | 1987-03-19 | 1989-01-31 | Eagleair, Inc. | Apparatus and method for delivery of combustion air in multiple zones |
DE3819899C1 (en) * | 1988-06-11 | 1989-11-30 | Daimler-Benz Aktiengesellschaft, 7000 Stuttgart, De | Apparatus for generating a homogeneous mixture from a first and second medium |
DE59000422D1 (en) * | 1989-04-20 | 1992-12-10 | Asea Brown Boveri | COMBUSTION CHAMBER ARRANGEMENT. |
DE69109516T2 (en) * | 1990-02-26 | 1995-09-14 | Nippon Denso Co | Self-diagnosis apparatus in a system for preventing vaporized fuel gas from escaping. |
US5165241A (en) * | 1991-02-22 | 1992-11-24 | General Electric Company | Air fuel mixer for gas turbine combustor |
DE59204270D1 (en) * | 1991-04-25 | 1995-12-14 | Siemens Ag | BURNER ARRANGEMENT, ESPECIALLY FOR GAS TURBINES, FOR LOW POLLUTANT COMBUSTION OF COAL GAS AND OTHER FUELS. |
US5259184A (en) * | 1992-03-30 | 1993-11-09 | General Electric Company | Dry low NOx single stage dual mode combustor construction for a gas turbine |
IT1255613B (en) * | 1992-09-24 | 1995-11-09 | Eniricerche Spa | LOW EMISSION COMBUSTION SYSTEM FOR GAS TURBINES |
US5323604A (en) * | 1992-11-16 | 1994-06-28 | General Electric Company | Triple annular combustor for gas turbine engine |
WO1995002789A1 (en) * | 1993-07-16 | 1995-01-26 | Radian Corporation | APPARATUS AND METHOD FOR REDUCING NOx, CO AND HYDROCARBON EMISSIONS WHEN BURNING GASEOUS FUELS |
US5423173A (en) * | 1993-07-29 | 1995-06-13 | United Technologies Corporation | Fuel injector and method of operating the fuel injector |
US5351477A (en) * | 1993-12-21 | 1994-10-04 | General Electric Company | Dual fuel mixer for gas turbine combustor |
DE4417769A1 (en) * | 1994-05-20 | 1995-11-23 | Abb Research Ltd | Method of operating a premix burner |
US5865609A (en) * | 1996-12-20 | 1999-02-02 | United Technologies Corporation | Method of combustion with low acoustics |
-
1996
- 1996-09-17 WO PCT/DE1996/001756 patent/WO1997011311A2/en active IP Right Grant
- 1996-09-17 DE DE59608389T patent/DE59608389D1/en not_active Expired - Lifetime
- 1996-09-17 RU RU98107628/06A patent/RU2156405C2/en active IP Right Revival
- 1996-09-17 EP EP96942244A patent/EP0851990B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1996-09-17 ES ES96942244T patent/ES2169273T3/en not_active Expired - Lifetime
- 1996-09-17 JP JP51231697A patent/JP3939756B2/en not_active Expired - Lifetime
-
1998
- 1998-03-23 US US09/047,164 patent/US6038864A/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019020350A1 (en) | 2017-07-27 | 2019-01-31 | Siemens Aktiengesellschaft | Gas turbine burner having premixed beam flames |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO1997011311A3 (en) | 1997-05-15 |
RU2156405C2 (en) | 2000-09-20 |
EP0851990A2 (en) | 1998-07-08 |
WO1997011311A2 (en) | 1997-03-27 |
ES2169273T3 (en) | 2002-07-01 |
JP3939756B2 (en) | 2007-07-04 |
JP2000512723A (en) | 2000-09-26 |
US6038864A (en) | 2000-03-21 |
DE59608389D1 (en) | 2002-01-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0851990B1 (en) | Burner, in particular for a gas turbine | |
DE4426351B4 (en) | Combustion chamber for a gas turbine | |
EP2116766B1 (en) | Burner with fuel lance | |
DE833741C (en) | Combustion chamber unit for gas turbines | |
EP1534997B1 (en) | Gas turbine burner | |
EP1800062B1 (en) | Burner for combustion of a low-calorific fuel gas and method for operating a burner | |
DE2432144A1 (en) | BURNERS FOR DIFFERENT FUELS | |
DE102014103083A1 (en) | System and method for air conditioning at pipe level | |
DE2841637A1 (en) | BURNER SYSTEM FOR BURNING GAS OR LIQUID FUELS | |
DE102009003453A1 (en) | Combustion tube premixer and method for gas / air mixture formation in a gas turbine | |
CH701773B1 (en) | Burner with a Einlassleitschaufelsystem. | |
DE876495C (en) | Combustion chamber for gas turbines | |
WO2009016079A1 (en) | Premixing burner and method for operating a premixing burner | |
EP1439349A1 (en) | Combustion method and burner for carrying out the method | |
DE1966660A1 (en) | GAS TURBINE WITH MULTIPLE REVERSE FLOW COMBUSTION CHAMBERS | |
CH672366A5 (en) | ||
DE2643797A1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR THERMAL CLEANING OF EXHAUST AIR | |
CH661974A5 (en) | GAS TURBINE BURNER. | |
EP2558781B1 (en) | Swirl generator for a torch | |
EP3875854B1 (en) | Burner for the combustion of a fuel / air mixture and heater with such a burner | |
DE846343C (en) | Afterburner for jet engines | |
EP3748228A2 (en) | Burner with reduced flame temperature and nitrogen oxide emission | |
DE102020118325A1 (en) | METHOD OF STAGED COMBUSTION OF A FUEL AND FUEL HEAD | |
DE2145891A1 (en) | Smokeless combustion chamber for gas turbines | |
DE4408256A1 (en) | Method and device for flame stabilization of premix burners |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PUAI | Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012 |
|
17P | Request for examination filed |
Effective date: 19980304 |
|
AK | Designated contracting states |
Kind code of ref document: A2 Designated state(s): CH DE ES FR GB IT LI SE |
|
17Q | First examination report despatched |
Effective date: 20000306 |
|
GRAG | Despatch of communication of intention to grant |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS AGRA |
|
GRAG | Despatch of communication of intention to grant |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS AGRA |
|
GRAH | Despatch of communication of intention to grant a patent |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS IGRA |
|
GRAH | Despatch of communication of intention to grant a patent |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS IGRA |
|
GRAA | (expected) grant |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210 |
|
AK | Designated contracting states |
Kind code of ref document: B1 Designated state(s): CH DE ES FR GB IT LI SE |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: CH Ref legal event code: EP |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: GB Ref legal event code: IF02 |
|
REF | Corresponds to: |
Ref document number: 59608389 Country of ref document: DE Date of ref document: 20020117 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: SE Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT Effective date: 20020305 |
|
GBT | Gb: translation of ep patent filed (gb section 77(6)(a)/1977) |
Effective date: 20020221 |
|
ET | Fr: translation filed | ||
REG | Reference to a national code |
Ref country code: ES Ref legal event code: FG2A Ref document number: 2169273 Country of ref document: ES Kind code of ref document: T3 |
|
PGFP | Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: ES Payment date: 20020918 Year of fee payment: 7 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: LI Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20020930 Ref country code: CH Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20020930 |
|
PLBE | No opposition filed within time limit |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261 |
|
STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT |
|
26N | No opposition filed | ||
REG | Reference to a national code |
Ref country code: CH Ref legal event code: PL |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: ES Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20030918 |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: ES Ref legal event code: FD2A Effective date: 20030918 |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: FR Ref legal event code: PLFP Year of fee payment: 20 |
|
PGFP | Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: GB Payment date: 20150909 Year of fee payment: 20 |
|
PGFP | Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: FR Payment date: 20150910 Year of fee payment: 20 |
|
PGFP | Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: IT Payment date: 20150924 Year of fee payment: 20 |
|
PGFP | Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: DE Payment date: 20151120 Year of fee payment: 20 |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: DE Ref legal event code: R071 Ref document number: 59608389 Country of ref document: DE |
|
REG | Reference to a national code |
Ref country code: GB Ref legal event code: PE20 Expiry date: 20160916 |
|
PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: GB Free format text: LAPSE BECAUSE OF EXPIRATION OF PROTECTION Effective date: 20160916 |