EP1002992B1 - Brenner - Google Patents

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EP1002992B1
EP1002992B1 EP98811144A EP98811144A EP1002992B1 EP 1002992 B1 EP1002992 B1 EP 1002992B1 EP 98811144 A EP98811144 A EP 98811144A EP 98811144 A EP98811144 A EP 98811144A EP 1002992 B1 EP1002992 B1 EP 1002992B1
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EP
European Patent Office
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burner
air
air outlet
outlet nozzles
flow
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EP98811144A
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English (en)
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EP1002992A1 (de
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Christian Oliver Dr. Paschereit
Wolfgang Weisenstein
Ephraim Prof. Gutmark
Klaus Dr. Döbbeling
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GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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Priority to EP98811144A priority patent/EP1002992B1/de
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    • 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
    • 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 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2210/00—Noise abatement

Definitions

  • the invention relates to a burner for operating a unit for generating a Hot gas.
  • Such a burner for operating a gas turbine is known from EP 0 851 172 A.
  • the cooling air flowing into the combustion chamber has a sound-absorbing effect and thus contributes to damping thermoacoustic vibrations.
  • an increasing proportion of the air is passed through the burners themselves in modern gas turbines and the cooling air flow is reduced.
  • the problems mentioned at the outset occur increasingly in modern combustion chambers.
  • One way of soundproofing is to connect Helmholtz dampers in the combustion chamber hood or in the area of the cooling air supply. In tight Space, as is typical for modern, compact combustion chambers such dampers can be difficult to accommodate and is associated with great design effort.
  • thermoacoustic vibrations through active acoustic excitation.
  • the one that develops in the area of the burner Shear layer stimulated acoustically.
  • damping of thermoacoustic vibrations and excitation can be achieved of the combustion chamber vibrations.
  • such a solution requires the installation of additional elements in the combustion chamber.
  • the modulation of the fuel mass flow is also suitable.
  • Fuel out of phase with measured signals in the combustion chamber e.g. the pressure
  • Fuel out of phase with measured signals in the combustion chamber e.g. the pressure
  • injected into the burner so that at a minimum pressure additional heat is released. This causes the amplitude of the pressure vibrations reduced.
  • Coherent structures play a crucial role in mixing processes between air and fuel.
  • the spatial and temporal dynamics of these structures affects combustion and heat release.
  • the invention is now the Based on the idea to disturb the formation of coherent vortex structures the periodic heat release fluctuation and thus the amplitude of the reduce thermoacoustic fluctuations.
  • a burner according to the invention for operating a unit for generating a Hot gas consists essentially of at least two hollow, in the direction of flow nested partial bodies, the center axes of which are offset from one another run in such a way that adjacent walls of the partial body tangential Air inlet channels for the inflow of combustion air into one of the part bodies form predetermined interior.
  • the burner has at least one fuel nozzle on.
  • the inside faces a plurality of the burner outlet along the circumference of the burner outlet of nozzles for introducing axial eddy strength into the flow, the nozzles arranged to inject air are.
  • the invention is therefore based on the idea of forming coherent vortex structures by introducing vortex strength in the axial direction. at a vortex of the generic type, the vortex strength is thereby according to the invention introduced that air through a plurality of nozzles is injected. These air outlet nozzles are as close as possible to the burner outlet appropriate to be able to develop their effect as fully as possible.
  • the relative position of the direction of flow and direction of air injection can be completely described by two angles ⁇ , ⁇ (FIGS. 2, 3).
  • ⁇ represents the angle between the direction of air injection and a plane perpendicular to the direction of flow
  • ⁇ the angle between the direction of air injection and the direction pointing radially to the central axis.
  • the air outlet nozzles are advantageous this way arranged that ⁇ is about 0 ° and ⁇ is about 0 °. The injection the air therefore takes place in a plane perpendicular to the direction of flow radially to the central axis inside.
  • the cross section of the air outlet nozzles is circular.
  • the flow instabilities in the burner mostly have a dominant mode.
  • the damping of this dominant mode is a priority for the suppression of thermoacoustic vibrations.
  • the relevant frequencies are between a few 10 Hz and a few kHz.
  • the convection speed depends on the burner and is typically a few 10 m / s, for example 30 m / s.
  • the dominant mode is suppressed particularly effectively if the distances s between adjacent air outlet nozzles along the circumference of the burner outlet are less than or approximately equal to half the wavelength of the dominant mode, that is to say s.
  • a particularly effective suppression has also been found if the diameter D of the air outlet nozzles is greater than approximately a quarter of the boundary layer thickness ⁇ in the region of the nozzles.
  • the boundary layer thickness is about 1 mm for a typical burner.
  • the diameter D of the nozzles is less than approximately one fifth of the distance s between adjacent nozzles.
  • the boundary conditions such as the existing air mass flow or the Available space may require the distances and the However, the diameter of the nozzles can also be adapted to these boundary conditions.
  • Figure 1 shows a burner according to the invention, which consists of two half hollow conical bodies 1, 2, which are arranged offset to one another.
  • the partial cone bodies 1, 2 have cylindrical starting parts 9, 10 which have a fuel nozzle 11 contain through which liquid fuel 12 is injected.
  • the burner has a collar-shaped, as anchoring for the Partial cone body 1, 2 serving front plate 18 with a number of holes 19, through which, if necessary, dilution air or cooling air 20 the front part of the Combustion chamber or its wall can be supplied.
  • the fuel injection can be an air-assisted nozzle or one Act nozzle working according to the pressure atomization principle.
  • the conical spray pattern is enclosed by the tangentially flowing combustion air flows 7.
  • the concentration of the injected fuel 12 is in the direction of flow 30 continuously degraded by the combustion air streams 7.
  • Becomes a gaseous Fuel 16 introduced in the region of the tangential air inlet ducts 5, 6 begins the mixture formation with the combustion air 7 already in this area.
  • the optimal homogeneous fuel concentration achieved across the cross-section.
  • the ignition of the fuel / combustion air mixture begins at the top of the backflow zone 24. Only at this point can a stable flame front 25 arise.
  • FIG. 4 shows the burner according to the invention, where ⁇ and ⁇ are each about 0 °. The flow direction from the In FIG. 4, air outlet nozzles 32, which are not shown in FIG radially inwards.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Betrieb eines Aggregats zur Erzeugung eines Heißgases.
Stand der Technik
Thermoakustische Schwingungen stellen eine Gefahr für jede Art von Verbrennungsanwendungen dar. Sie führen zu Druckschwankungen hoher Amplitude, zu einer Einschränkung des Betriebsbereiches und können die mit der Verbrennung verbundenen Emissionen erhöhen. Diese Probleme treten besonders in Verbrennungssystemen mit geringer akustischer Dämpfung, wie sie moderne Gasturbinen oft darstellen, auf. Ein solcher Brenner zum Betrieb einer Gasturbine ist aus der EP 0 851 172 A bekannt.
In herkömmlichen Brennkammern wirkt die in die Brennkammer einströmende Kühlluft schalldämpfend und trägt damit zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen bei. Um niedrige NOx-Emissionen zu erzielen, wird in modernen Gasturbinen ein zunehmender Anteil der Luft durch die Brenner selbst geleitet und der Kühlluftstrom reduziert. Durch die damit einhergehende geringere Schalldämpfung treten die eingangs angesprochenen Probleme in modernen Brennkammern demnach verstärkt auf.
Eine Möglichkeit der Schalldämpfung besteht im Ankoppeln von Helmholtz-Dämpfern in der Brennkammerhaube oder im Bereich der Kühlluftzuführung. Bei engen Platzverhältnissen, wie sie für moderne, kompakt gebaute Brennkammern typisch sind, kann die Unterbringung solcher Dämpfer jedoch Schwierigkeiten bereiten und ist mit großem konstruktiven Aufwand verbunden.
Eine weitere Möglichkeit besteht in einer Kontrolle thermoakustischer Schwingungen durch aktive akustische Anregung. Dabei wird die sich im Bereich des Brenners ausbildende Scherschicht akustisch angeregt. Bei geeigneter Phasenlage zwischen den thermoakustischer Schwingungen und der Anregung läßt sich dadurch eine Dämpfung der Brennkammerschwingungen erreichen. Eine solche Lösung erfordert allerdings den Anbau zusätzlicher Elemente im Bereich der Brennkammer.
Desgleichen eignet sich die Modulierung des Brennstoffmassenstroms. Hierbei wird Brennstoff phasenverschoben zu gemessenen Signalen in der Brennkammer (beispielsweise dem Druck) in den Brenner eingedüst, so daß bei einem Druckminimum zusätzlich Wärme freigesetzt wird. Dadurch wird die Amplitude der Druckschwingungen reduziert.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine wirkungsvolle Unterdrückung thermoakustischer Schwingungen ermöglicht und mit möglichst geringem konstruktiven Aufwand verbunden ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Brenner gemäß Anspruch 1 gelöst.
Kohärente Strukturen spielen eine entscheidende Rolle bei Mischungsvorgängen zwischen Luft und Brennstoff. Die räumliche und zeitliche Dynamik dieser Strukturen beeinflußt die Verbrennung und die Wärmefreisetzung. Der Erfindung liegt nun die Idee zugrunde, die Ausbildung von kohärenten Wirbelstrukturen zu stören um dadurch die periodische Wärmefreisetzungsschwankung und damit die Amplitude der thermoakustischen Schwankungen zu reduzieren.
Ein erfindungsgemäßer Brenner zum Betrieb eines Aggregats zur Erzeugung eines Heißgases, besteht im wesentlichen aus mindestens zwei hohlen, in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten Teilkörpern, deren Mittelachsen zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß benachbarte Wandungen der Teilkörper tangentiale Lufteintrittskanäle für die Einströmung von Verbrennungsluft in einen von den Teilkörpern vorgegebenen Innenraum bilden. Der Brenner weist zumindest eine Brennstoffdüse auf. Zur Kontrolle von Strömungsinstabilitäten im Brenner weist die Innenseite des Brenneraustritts entlang des Umfangs des Brenneraustritts eine Mehrzahl von Düsen zum Einbringen axialer Wirbelstärke in die Strömung auf, wobei die Düsen zur Eindüsung von Luft angeordnet sind.
Die Erfindung beruht also auf dem Gedanken, die Ausbildung kohärenter Wirbelstrukturen durch das Einbringen von Wirbelstärke in axialer Richtung zu stören. Bei einem gattungsgemäßen Brenner wird die Wirbelstärke erfindungsgemäß dadurch eingebracht, daß über eine Mehrzahl von Düsen Luft eingedüst wird. Diese Luftaustrittsdüsen sind dabei möglichst dicht am Brenneraustritt angebracht um ihre Wirkung möglichst voll entfalten zu können.
Die relative Lage von Strömungsrichtung und Eindüsungsrichtung der Luft kann durch zwei Winkel ϕ, α vollständig beschrieben werden (Figuren 2,3). ϕ stellt dabei den Winkel zwischen der Eindüsungsrichtung der Luft und einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung dar, α den Winkel zwischen der Eindüsungsrichtung der Luft und der radial zur Mittelachse weisenden Richtung. Die Luftaustrittsdüsen sind vorteilhaft so angeordnet, daß ϕ bei etwa 0° liegt und α bei etwa 0° liegt. Die Eindüsung der Luft erfolgt also in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung radial zur Mittelachse nach innen.
Der Querschnitt der Luftaustrittsdüsen kreisförming ist.
Die Strömungsinstabilitäten im Brenner weisen zumeist eine dominante Mode auf. Die Dämpfung dieser dominanten Mode ist für die Unterdrückung thermoakustischer Schwingungen vordringlich. Die Wellenlänge λ der dominante Mode der Instabilität ergibt sich aus ihrer Frequenz f und der Konvektionsgeschwindigkeit uc über λ = uc /f. Die relevanten Frequenzen liegen zwischen einigen 10 Hz und einigen kHz. Die Konvektionsgeschwindigkeit hängt vom Brenner ab und beträgt typischerweise einige 10 m/s, beispielsweise 30 m/s.
Es wurde nun gefunden, daß die dominante Mode besonders wirkungsvoll unterdrückt wird, wenn die Abstände s benachbarter Luftaustrittsdüsen entlang des Umfangs des Brenneraustritts kleiner oder etwa gleich der halben Wellenlänge der dominanten Mode sind, also s .
Weiter wurde gefunden eine besonders wirkungsvolle Unterdrückung gefunden, wenn der Durchmesser D der Luftaustrittsdüsen größer als etwa ein Viertel der Grenzschichtdicke δ im Bereich der Düsen ist. Die Grenzschichtdicke beträgt für eine typischen Brenner etwa 1 mm. Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Durchmesser D der Düsen kleiner als etwa ein Fünftel des Abstands s benachbarter Düsen ist. Obwohl eine signifikante Unterdrückung der thermoakustischen Schwingungen bereits bei der Erfüllung einer der drei genannten Bedingungen erreicht wird, erfüllt eine beson-, ders bevorzugte Ausführungsform alle Bedingung zugleich.
Falls die Randbedingungen wie etwa der vorhandene Luftmassenstrom oder das zur Verfügung stehende Platzangebot es erfordern, können die Abstände und die Durchmesser der Düsen jedoch auch an diese Randbedingungen angepaßt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen. Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigt
Fig. 1
ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brenners in perspektivischer Darstellung entsprechend aufgeschnitten;
Fig. 2
eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Brenners aus Richtung II-II von Fig. 1;
Fig. 3
eine schematische Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Brenners aus Richtung III-III von Fig. 2;
Fig. 4
eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brenners;
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Brenner, der aus zwei halben hohlen Teilkegelkörpern 1, 2, besteht, die versetzt zueinander angeordnet sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse der Teilkegelkörper 1, 2 zueinander schafft auf beiden Seiten in spiegelbildlicher Anordnung jeweils einen tangentialen Lufteintrittskanal 5, 6, durch welchen die Verbrennungsluft 7 in den Innenraum 8 des Brenners strömt. Die Teilkegelkörper 1, 2 weisen zylindrische Anfangsteile 9, 10 auf, die eine Brennstoffdüse 11 beinhalten durch die flüssiger Brennstoff 12 eingedüst wird. Weiter weisen die Teilkegelkörper 1, 2 nach Bedarf je eine Brennstoffleitung 13, 14 auf, die mit Öffnungen 15 versehen sind, durch welche gasförmiger Brennstoff 16 der durch die tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 strömenden Verbrennungsluft 7 zugemischt wird.
Brennraumseitig 17 weist der Brenner eine kragenförmige, als Verankerung für die Teilkegelkörper 1, 2 dienende Frontplatte 18 mit einer Anzahl von Bohrungen 19 auf, durch welche bei Bedarf Verdünnungsluft oder Kühlluft 20 dem vorderen Teil des Brennraumes bzw. dessen Wand zugeführt werden kann.
Bei der Brennstoffeindüsung kann es sich um eine luftunterstüzte Düse oder um eine nach dem Druckzerstäubungsprinzip arbeitende Düse handeln. Das kegelige Spraybild wird von den tangential einströmenden Verbrennungsluftströmen 7 umschlossen. Die Konzentration des eingedüsten Brennstoffs 12 wird in Strömungsrichtung 30 fortlaufend durch die Verbrennungsluftströme 7 abgebaut. Wird ein gasförmiger Brennstoff 16 im Bereich der tangentialen Lufteintrittskanäle 5, 6 eingebracht, beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft 7 bereits in diesem Bereich. Beim Einsatz eines flüssigen Brennstoffs 12 wird im Bereich des Wirbelaufplatzens, also im Bereich der Rückströmzone 24 am Ende des Vormischbrenners die optimale, homogene Brennstoffkonzentration über den Querschnitt erreicht. Die Zündung des BrennstoffNerbrennungsluft-Gemisches beginnt an der Spitze der Rückströmzone 24. Erst an dieser Stelle kann eine stabile Flammenfront 25 entstehen.
An der Innenseite des Brenneraustritts 17 ist eine Mehrzahl von Luftaustrittsdüsen 32 mit kreisförmigen Querschnitt angeordnet. Durch die Luftaustrittsdüsen 32 wird Luft 34 rechtwinklig zur Strömungsrichtung 30 in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung eingedüst. Figuren 2 und 3 zeigen die Definitionen der Winkel ϕ und α, durch die die relative Lage der Strömungsrichtung und der Eindüsungsrichtung vollständig beschrieben werden kann. Dabei stellt ϕ den Winkel zwischen der Eindüsungsrichtung der Luft und einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung dar und α den Winkel zwischen der Eindüsungsrichtung der Luft und der radial zur Mittelachse nach innen weisenden Richtung. Figur 4 zeigt den erfindungsgemäßen Brenner, bei dem ϕ und α jeweils etwa 0° betragen. Die Strömungsrichtung der aus den in Fig. 4 nicht gezeigten Luftaustrittsdüsen 32 austretenden Störluft 34 weist in diesem Ausführungsbeispiel radial nach innen.
Bezugszeichenliste
1,2
Teilkegelkörper
5,6
Lufteintrittskanal
7
Verbrennungsluft
8
Innenraum
9,10
zylindrische Anfangsteile
11
Brennstoffdüse
12
flüssiger Brennstoff
13,14
Brennstoffleitung
15
Öffnungen
16
gasförmiger Brennstoff
17
Brennraum
18
Frontplatte
19
Bohrungen
20
Kühlluft
24
Rückströmzone
25
Flammenfront
30
Strömungsrichtung
32
Luftaustrittsdüsen
34
Störluft

Claims (5)

  1. Brenner zum Betrieb eines Aggregats zur Erzeugung eines Heißgases,
    wobei der Brenner im wesentlichen aus mindestens zwei hohlen, in Strömungsrichtung (30) ineinandergeschachtelten Teilkörpern (1, 2) besteht,
    deren Mittelachsen zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, daß benachbarte Wandungen der Teilkörper (1, 2) tangentiale Lufteintrittskanäle (5, 6) für die Einströmung von Verbrennungsluft (7) in einen von den Teilkörpern (1, 2) vorgegebenen Innenraum (8) bilden,
    und wobei der Brenner zumindest eine Brennstoffdüse (11) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    zur Kontrolle von Strömungsinstabilitäten im Brenner die Innenseite des Brenneraustritts (17) entlang des Umfangs des Brenneraustritts (17) eine Mehrzahl von Luftaustrittsdüsen (32) aufweist, und die Luftaustrittsdüsen (32) (34) unter einem Winkel zur Strömungsrichtung (30) angeordnet sind. welcher Winkel zwischen der Strömungsrichtung (30) und der Eindüsungsrichtung der Luft (34) durch Winkel (ϕ, α) gegeben ist, wobei ϕ den Winkel zwischen der Eindüsungsrichtung der Luft (34) und einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung darstellt, und α den Winkel zwischen der Eindüsungsrichtung der Luft (34) und der radial zur jeweiligen Mittelachse nach innen weisenden Richtung darstellt, und die Düsen (32) so angeordnet sind, daß ϕ bei etwa 0° liegt, und α bei etwa 0° liegt.
  2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Querschnitt der Luftaustrittsdüsen (32) kreisförmig ist.
  3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Strömungsinstabilitäten eine dominante Mode aufweisen und die Abstände s benachbarter Luftaustrittsdüsen (32) entlang des Umfangs des Brenneraustritts (17) kleiner oder etwa gleich der halben Wellenlänge der dominanten Mode sind.
  4. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Durchmesser D der Luftaustrittsdüsen (32) größer als etwa ein Viertel der Grenzschichtdicke δ im Bereich der Luftaustrittsdüsen (32) ist.
  5. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Durchmesser D der Luftaustrittsdüsen (32) kleiner als etwa ein Fünftel des Abstands s benachbarter Luftaustrittsdüsen (32) ist.
EP98811144A 1998-11-18 1998-11-18 Brenner Expired - Lifetime EP1002992B1 (de)

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