EP1182398A1 - Verfahren zur Erhöhung der strömungsmechanischen Stabilität eines Vormischbrenners sowie Vormischbrenner zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
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- EP1182398A1 EP1182398A1 EP01120011A EP01120011A EP1182398A1 EP 1182398 A1 EP1182398 A1 EP 1182398A1 EP 01120011 A EP01120011 A EP 01120011A EP 01120011 A EP01120011 A EP 01120011A EP 1182398 A1 EP1182398 A1 EP 1182398A1
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- F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
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- F23D2209/20—Flame lift-off / stability
Definitions
- the invention relates to a method for fluid-mechanical stabilization of a premix burner, into which a combustion air flow is introduced tangentially into a burner interior, mixes with a coaxially oriented swirl flow with an injected gaseous and / or liquid fuel and induces a backflow zone at a burner outlet, which serves to stabilize the flame during operation of the burner. Furthermore, the invention relates to a premix burner for carrying out the method.
- a preferred field of application of the invention is the operation of a gas turbine plant.
- EP 0 321 809 and EP 0 780 629 disclose premix burners of the type discussed here known. Such burners, which are characterized by very low pollutant emissions, are widely used in combustion chambers of gas turbine plants Hot gas generation used.
- thermoacoustic vibrations When operating gas turbine systems, thermoacoustic vibrations often occur in the combustion chambers. Fluidic instability waves arising at the burner lead to the formation of flow vortices, which strongly influence the entire combustion process and lead to undesired periodic heat releases within the combustion chamber, which are associated with strong pressure fluctuations. The high pressure fluctuations are associated with high vibration amplitudes, which can lead to undesirable effects, such as a high mechanical load on the combustion chamber housing, an increased NO x emission due to inhomogeneous combustion and even an extinguishing of the flame within the combustion chamber.
- Thermoacoustic vibrations are based, at least in part, on flow instabilities the burner flow, which is expressed in coherent flow structures, and that affect the mixing processes between air and fuel.
- Conventional Combustion chambers become cooling air in the manner of a cooling air film over the combustion chamber walls directed.
- the cooling air film also has a sound-absorbing effect and contributes to the reduction of thermoacoustic vibrations.
- this also reduces the noise damping Cooling air film, which reduces the sound-absorbing effect and exacerbates the problems associated with the unwanted vibrations occur.
- thermoacoustic vibration amplitudes has the disadvantage that the injection of fuel at the head stage can be accompanied by an increase in the emission of NO x .
- thermoacoustic vibrations have more detailed studies on the formation of thermoacoustic vibrations demonstrated that such undesirable coherent structures arise during mixing processes. Of particular importance are those that mix between two Shear currents forming currents within the coherent structures be formed. More detailed information on this can be found in the following publications: Oster & Wygnanski 1982, "The forced mixing layer between parallel streams ", Journal of Fluid mechanics, vol. 123, 91-130; Paschereit et al. 1995," Experimental investigation of subharmonic resonance in an axisymmetric jet ", Journal of Fluid Mechanics, vol. 283, 365-407).
- the invention has for its object a method for increasing the fluid mechanical Provide stability of a premix burner, which the undesirable flow vortices, which are known as coherent pressure fluctuation structures educate, suppressed efficiently and without additional energy expenditure.
- the for this necessary measures on a premix burner should have a low design Cause effort and be inexpensive to implement.
- the measures used should also be completely maintenance-free.
- the object is achieved by a method for increasing the fluid mechanical stability of a premix burner and by a premix burner of the type mentioned in the independent claims.
- the method according to the invention is based on the basic idea of fluid mechanics Stabilization of a premix burner in which at least one Combustion air flow is introduced tangentially into a burner cavity and itself forming a swirl flow oriented coaxially to the burner axis with a injected gaseous and / or liquid fuel mixed and at one Cross-sectional jump at the burner mouth induces a backflow zone, which during burner operation to stabilize the flame, the swirl flow inside of the burner cavity towards the burner mouth at least increasingly radially deform a peripheral portion and in a non-rotationally symmetrical To let the flow cross-section enter the combustion chamber, this deformation at the expense of the free flow cross section of the burner cavity is produced.
- the formation of coherent vortex structures is due to a rotational symmetry different shape of the flow cross section in the burner cavity and disturbed when entering the combustion chamber.
- the time delay of the fuel from Injection site constant up to the flame. From the deformation according to the invention of the flow cross section results in a wide distribution of the delay time.
- By the prevention of the formation of vortex structures at the burner outlet and one smeared time delay also suppresses periodic heat release, which in turn is responsible for the occurrence of thermoacoustic vibrations.
- By deforming the swirl flow through constricting portions of the cavity contour is forced, as will be explained elsewhere, there is also an acceleration of the flow, which is stabilizing affects the backflow zone.
- a premix burner according to the invention is based on a premix burner for use in a heat generator, essentially consisting of a swirl generator with means for the tangential introduction of a combustion air flow in a cavity of the swirl generator and means for introducing at least a gaseous and / or liquid fuel in the combustion air flow below Formation of a swirl flow with an axial movement component towards Burner mouth at which the swirl flow induces a backflow zone bursts.
- a generic burner based on at least two hollow ones Flow direction of the hot gases nested conically widening Partial bodies whose central axes are offset from one another is described in EP 0321809 described, which is an integral part of this protection request.
- Such burner types also known as cone burners or double-cone burners, have a tear-off edge at their burner outlet, the edge course of which there are two staggered semicircles with closed edges however almost circular and therefore approximately rotationally symmetrical to the burner axis is trained.
- the fuel / air mixture that forms in the burner cavity spreads in the form of a rotationally symmetrical swirl flow an axial component towards the burner mouth, with all its known Disadvantages with regard to the formation of coherent structures and the associated ones thermoacoustic pressure fluctuations.
- Such influence on the flow geometry can be at least take a section of the cavity wall, which wall section in one downstream end portion of the burner cavity has a smaller slope than in an upstream area.
- This at least one section leads with it compared to those wall sections at the same axis height that this property do not have a radial deviation from the circular shape towards the Brenner axis.
- Any partial contours in the burner cavity that deviate from the circular shape and at the trailing edge, e.g. straight or aspherically curved Wall sections across the circumference help to reduce eddies at.
- the geometric deviation from a round geometry at least is to be chosen so large that the resulting distance between the two geometries is greater than the boundary layer thickness of the flow caused by the exit geometry flowing.
- the premix burner consists of two hollow, conically widening partial bodies (1) and (2) which are arranged so as to be axially parallel and offset from one another in such a way that they form tangential gaps (3) in two overlapping areas opposite each other in mirror image.
- two conically widening partial bodies (1) and (2) are shown as examples in FIGS. 1a and 1b, other configurations are also conceivable. So these burners are neither limited to the arrangement of two partial bodies (1) and (2), nor is their conical configuration absolutely necessary. This is familiar to the person skilled in the art.
- the gaps (3) resulting from the displacement of the longitudinal axes serve as inlet channels through which the combustion air (5) flows tangentially into the burner cavity (6) during burner operation.
- the tangential inlet channels (3) there are injection openings (7) through which a preferably gaseous fuel is injected into the combustion air (5) flowing past.
- the fuel is preferably injected within the column (3) immediately before entering the burner cavity (6).
- the initial area of the burner which can also be cylindrical (not shown), there is a central nozzle (8) for atomizing a liquid fuel, the capacity and operating mode of which depend on the burner parameters.
- the liquid fuel emerges from the nozzle (8) at an acute angle and forms a conical fuel profile in the burner cavity (6), which is enclosed by the combustion air (5) entering tangentially and passing into a swirl flow (9) and continuously forms a mixture which process can be supported by preheated combustion air or admixture of recirculated exhaust gas.
- gaseous fuel to the nozzle (8).
- the premix burner has a front plate (10) which acts as anchoring of the partial bodies (1) and (2) and which has a number of bores (11) for introducing air into the combustion chamber (12).
- the fuel / air mixture crossing the burner cavity (6) in a swirl flow (9) reaches the optimum fuel concentration over the cross section at the downstream end of the premixing section (13) at the burner mouth (14).
- the swirl flow (9) bursts, forming a backflow zone (15) with a stabilizing effect with respect to the flame front (17) acting there.
- This aerodynamic flame stabilization takes over the function of a flame holder.
- the dreaded failure of mechanical flame holders due to overheating with possible subsequent severe accidents on machine sets is therefore excluded.
- the flame loses no heat to cold walls except through radiation. This also contributes to the uniformity of the flame temperature and thus to low pollutant emissions and good combustion stability.
- the wall (21) of the cavity (6) has at least one section (22) in a downstream area (20), which has a smaller gradient with respect to the burner axis (4) compared to an upstream area (19).
- 2a shows a known swirl generator geometry with which the invention can be implemented in a favorable manner, whereby - as mentioned elsewhere - the conical configuration of the swirl generator (13) is not mandatory.
- 2b-2d symbolize the idea of the invention, which consists in the wall (21) of the burner cavity (6) in at least one peripheral section (22) at the expense of the free flow cross section (18) in the direction of the burner axis for the purpose of deforming the flow profile (4) to bend. This can be done symmetrically or asymmetrically by at least one such section (22) constricting the flow cross section.
- FIGS. 3 to 7 show embodiments of burners designed according to the invention.
- FIG. 3 shows a preferred variant of the invention, according to which the burner mouth (14) has a polygonal outlet contour (16).
- the conically widening contour (23) of the burner cavity (6) is broken off in a downstream end region (20) and with a smaller gradient compared to the preceding region (19) Longitudinal axis (4) continued.
- the term reduced slope is also intended to include a course parallel to the longitudinal axis (4) or a convergent course, as can be seen from FIGS. A multitude of measures are available to the person skilled in the art to implement this suggestion.
- correspondingly shaped plates (28) are welded into the bowl-shaped partial bodies (1) and (2) according to the state of the art, which - viewed planimetrically - represent tendons, the circle segments from the free flow cross section (18) of the burner cavity Cut out (6).
- One to four such plates (28) are preferably welded onto the inner wall (21) for each partial body (1) or (2). With new burners, the wall contour is shaped in the manufacturing process.
- the burner is formed in an upstream region (19) in a manner known per se from two staggered partial bodies (1) and (2) of essentially circular cross-section.
- a convex course is particularly advantageous in the case of the arrangement of a small number or only one or two such sections (22).
- Another embodiment is not to provide the burner cavity (6) with a circular cross-section even in its upstream region (19), but rather to equip the burner with a cavity (6) which is contoured non-rotationally symmetrically.
- This embodiment is particularly suitable for polygonal contours (23) of the cavity cross section (18).
- inlet openings (27) running in a uniform circumferential distribution to the longitudinal axis (4) can be arranged to inject an additional quantity of combustion air.
- the rotationally symmetrical flow cross section of the mixing section (25) is deflected and radially deformed by the free cross section (29) restricting sections (22).
- the outlet opening (16) takes on a polygonal cross-sectional shape, composed of a plurality of rectilinear sections (22). Exit contours (16) in the form of a regular or irregular (Fig. 5) polygon are promising.
- the individual rectilinear sections (22) of the outlet edge (27) span the outlet opening (16) of the burner.
- FIG. 6 indicates a convex wall section (22) in an asymmetrical arrangement.
- FIG. 7 shows an embodiment variant with a cylindrical or convergent nozzle section (24) at the downstream end of the burner. According to the prior art, these downstream nozzles (24) serve primarily to accelerate the flow at the burner outlet and thus to stabilize the backflow zone (15).
- this desirable acceleration is achieved by an increasing and decreasing cross-sectional area in the flow direction such that this nozzle section (24) is narrowed in the flow direction from an essentially circular cross-sectional shape to another cross-sectional shape, for example that of a regular or irregular polygon or one oval.
- FIG. 8 shows a diagram that shows the combustion output along the abscissa shows the burner according to FIG. 3 and along the ordinate a scaling that the formation of thermoacoustic vibrations that as Result of coherent structures within the flow flow in the burner, quantified. Thermoacoustic vibrations in the 100 Hz range are considered. Comparing a burner with a conventional burner outlet according to the embodiment in Fig. 1 (see line traversed with squares) with an inventive trained burner outlet according to the embodiment in Fig. 3 (see line drawing interspersed with circles), it is clearly noticeable that in the latter case a significant lower proportion of thermoacoustic vibrations arises.
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Abstract
Description
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Betrieb einer Gasturbinenanlage.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der Beschreibung und den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
- Fig. 1a
- perspektivische Darstellung eines Vormischbrenners nach dem Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht
- Fig.1b
- weitere Darstellung eines solchen Brenners in vereinfachter Form
- Fig. 2a-d
- stark schematisierte Wiedergabe des Erfindungsgedankens anhand verschiedener Formen von Drallerzeugern
- Fig. 3
- eine Ausführungsform eines erfindungsgemäss abgeänderten Brenners
- Fig. 4-7
- alternative Ausführungsformen der Erfindung
- Fig. 8
- Darstellung der Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen durch Unterdrückung von Strömungswirbeln in einem Brenner.
Der Vormischbrenner besteht aus aus zwei hohlen sich konisch erweiternden Teilkörpern (1) und (2), die derart achsparallel und zueinander versetzt angeordnet sind, dass sie in zwei spiegelbildlich gegenüberliegenden Überlappungsbereichen tangentiale Spalte (3) bilden. Obgleich in den Figuren 1a und 1b zwei sich konisch erweiternde Teilkörper (1) und (2) beispielhaft dargestellt sind, sind indes auch andere Konfigurationen denkbar. So sind diese Brenner weder auf die Anordnung von zwei Teilkörpern (1) und (2) beschränkt, noch ist deren konische Konfiguration zwingend erforderlich. Dies ist dem Fachmann geläufig. Die aus der Versetzung der Längsachsen resultierenden Spalte (3) dienen als Eintrittskanäle, durch die im Brennerbetrieb die Verbrennungsluft (5) tangential in den Brennerhohlraum (6) einströmt. Entlang der tangentialen Eintrittskanäle (3) befinden sich Eindüsungsöffnungen (7), durch welche ein vorzugsweise gasförmiger Brennstoff in die vorbeiströmende Verbrennungsluft (5) eingedüst wird. Im Interesse einer guten Durchmischung erfolgt die Brennstoffeindüsung vorzugsweise innerhalb der Spalte (3) unmittelbar vor Eintritt in den Brennerhohlraum (6). In dem Anfangsbereich des Brenners, der auch zylindrisch ausgebildet sein kann (nicht dargestellt), ist eine zentrale Düse (8) zur Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffes vorgesehen, deren Kapazität und Betriebsart sich nach den Brennerparametern richten. Der flüssige Brennstoff tritt in einem spitzen Winkel aus der Düse (8) aus und bildet in dem Brennerhohlraum (6) ein kegelförmiges Brennstoffprofil, das von der tangential eintretenden und in eine Drallströmung (9) übergehenden Verbrennungsluft (5) umschlossen und fortlaufend zu einem Gemisch abgebaut wird, welcher Vorgang durch vorgewärmte Verbrennungsluft oder Zumischung von rückgeführtem Abgas unterstützt werden kann. Es ist alternativ auch möglich, die Düse (8) mit gasförmigem Brennstoff zu beaufschlagen. Brennraumseitig besitzt der Vormischbrenner eine als Verankerung der Teilkörper (1) und (2) fungierende Frontplatte (10), welche eine Anzahl von Bohrungen (11) zur Lufteinbringung in den Brennraum (12) aufweist. Das in einer Drallströmung (9) den Brennerhohlraum (6) durchquerende Brennstoff-/Luftgemisch erreicht am stromabwärtigen Ende der Vormischstrecke (13) an der Brennermündung (14) die optimale Brennstoffkonzentration über den Querschnitt. Beim Austritt aus dem Brenner platzt die Drallströmung (9) auf unter Ausbildung einer Rückströmzone (15) mit einem gegenüber der dort wirkenden Flammenfront (17) stabilisierenden Effekt. Diese aerodynamische Flammenstabilisierung übernimmt quasi die Funktion eines Flammenhalters. Das gefürchtete Versagen mechanischer Flammenhalter aufgrund von Überhitzung mit eventuell nachfolgenden schwerwiegenden Havarien an Maschinensätzen ist somit ausgeschlossen. Weiterhin verliert die Flamme ausser durch Strahlung keine Wärme an kalte Wände. Dies trägt zusätzlich zur Vergleichmässigung der Flammentemperatur und damit zu geringen Schadstoffemissionen und guter Verbrennungsstabilität bei.
Erfindungsgemäss werden nun Massnahmen vorgesehen, die Drallströmung (9) innerhalb der Vormischstrecke (13) zunehmend radial zu deformieren. Vorzugsweise soll diese Deformation symmetrisch erfolgen. Dies ist indes nicht zwingend. Dabei ist es ein wesentliches Kennzeichen, diese Deformation zu Lasten des freien Strömungsquerschnitts (18) zu erzielen. Die Wand (21) des Hohlraums (6) weist in einem stromabwärtigen Bereich (20) wenigstens einen Abschnitt (22) auf, der gegenüber einem stromaufwärtigen Bereich (19) eine geringere Steigung, bezogen auf die Brennerachse (4), besitzt. Das heisst, die über den Querschnitt betrachtet annähernd kreisrunde Kontur (21) des Brennerhohlraums (6) weist, verteilt über den Umfang, vom Kreisrund der Hohlraumkontur (21) in Richtung auf die Mittelachse (4) abweichende, also den Hohlraum (6) einengende Abschnitte (22) auf, wie in Fig.2a - 2d im Längsschnitt schematisch wiedergegeben. Es hat sich nämlich in diesem Zusammenhang als vorteilhaft erwiesen, die Deformation der Strömung gleichzeitig mit einer Beschleunigung der Strömung einhergehen zu lassen. Diese Massnahme wirkt sich besonders günstig auf die Stabilität des Brenners aus. So wirkt sich zum einen die von der Rotationssymmetrie abweichende Querschnittsform der aus dem Brenner austretenden Strömung (9) störend auf die Bildung kohärenter Wirbelstrukturen aus und hemmt damit letztlich die Entstehung thermoakustischer Schwingungen. Zum anderen führt die aus der absoluten oder relativen Verengung des Strömungsquerschnitts (18) resultierende Beschleunigung der Drallströmung (9) am Brenneraustritt (14) zu einer Stabilisierung der Rückströmzone (15), wodurch Fluktuationen der Rückströmzone (15), die damit verbundene periodische Wärmefreisetzung und damit wiederum die Entstehung thermoakustischer Schwingungen gehemmt werden. Aus der Kombination dieser gleichwirkenden Effekte resultieren Synergieeffekte, die es in besonders vorteilhafter Weise gestatten, mit einem sehr geringen technischen Aufwand die strömungsmechanische Stabilität eines Vormischbrenners zu erhöhen. Die Fig.2a - 2d sollen den Erfindungsgedanken anhand stark schematisierter Darstellungen erläutern. Fig.2a zeigt eine bekannte Drallerzeugergeometrie, mit der die Erfindung in günstiger Weise verwirklicht werden kann, wobei- wie an anderer Stelle erwähnt - die konische Konfiguration des Drallerzeugers (13) indes nicht zwingend ist.
Die Fig.2b - 2d versinnbildlichen den Erfindungsgedanken, der darin besteht, zum Zwecke der Deformation des Strömungsprofils die Wandung (21) des Brennerhohlraums (6) in mindestens einem Umfangsabschnitt (22) zu Lasten des freien Strömungsquerschnitts (18) in Richtung auf die Brennerachse (4) abzuwinkeln. Dies kann symmetrisch oder asymmetrisch durch mindestens einen solchen den Strömungsquerschnitt einengenden Abschnitt (22) erfolgen. In einem stromabwärtigen Bereich (20) des Hohlraums (6), welcher Bereich (20) beispielsweise bei 2/3 der axialen Länge einsetzen kann, knickt in wenigstens einem Umfangsabschnitt (22) die Hohlraumwandung (21) in einem Winkel im Bereich von 2° bis 45°, insbesondere 5° bis 15°, in Richtung auf die Brennerachse (4) ab. Aus diesen schematischen Darstellungen erschliesst sich dem Fachmann gleichzeitig ein weiterer Vorteil der Erfindung, nämlich die mit geringem Aufwand mögliche Nachrüstbarkeit vorhandener Brenner. Die den Strömungsquerschnitt (18) einengenden Abschnitte (22) können durch nachträglich aufgebrachte strömungsleitende Einbauten (28) realisiert werden. Die Figuren 3 bis 7 zeigen Ausführungsformen von gemäss der Erfindung gestalteten Brennern.
Fig.3 gibt eine bevorzugte Variante der Erfindung wieder, nach der die Brennermündung (14) eine vieleckige Austrittskontur (16) besitzt. Wie aus den schematischen Darstellungen der Fig.2 am deutlichsten hervorgeht, wird die sich konisch erweiternde Kontur (23) des Brennerhohlraums (6) in einem stromabwärtigen Endbereich (20) abgebrochen und mit einer gegenüber dem vorhergehenden Bereich (19) geringeren Steigung im Verhältnis zur Längsachse (4) fortgeführt. Der Begriff verringerte Steigung soll auch einen Verlauf parallel zur Längsachse (4) oder einen konvergenten Verlauf umfassen, wie aus den Figuren 2 ersichtlich. Zur Realisierung dieser Anregung bietet sich dem Fachmann eine Vielzahl von Massnahmen an. Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden in die schalenförmigen Teilkörper (1) und (2) nach dem Stand der Technik ausgebildeter Brenner entsprechend ausgeformte Platten (28) eingeschweisst, die - planimetrisch betrachtet - Sehnen darstellen, die Kreissegmente aus dem freien Strömungsquerschnitt (18) des Brennerhohlraums (6) herausschneiden. Je Teilkörper (1) oder (2) werden vorzugsweise eine bis vier solcher Platten (28) auf die Innenwandung (21) aufgeschweisst. Bei neuen Brennern erfolgt die Formgebung der Wandkontur im Herstellungsprozess.
Nach einer anderen aus Fig.4 in Verbindung mit Fig.2c ersichtlichen Ausführungsform ist der Brenner in einem stromaufwärtigen Bereich (19) in an sich bekannter Weise aus zwei versetzt ineinandergeschachtelten Teilkörpern (1) und (2) von im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt ausgebildet. In einem Übergangsbereich auf etwa 2/3 der axialen Länge geht die Innenwand (21) aus ihrer im wesentlichen kreisförmigen Kontur in eine vieleckige über, die sich im weiteren Verlauf zur Brennermündung (14) hin zunehmend ausprägt. Diese den Strömungsquerschnitt (18) sehnenartig einengenden Abschnitte (22) der Hohlraumwandung (21) besitzen eine gegenüber den stomaufwärtigen Bereichen (19) der Hohlraumwandung (6) geringere Divergenz in Relation zur Längsachse (4). Der Begriff geringere Differenz soll dabei auch die Möglichkeit eines parallelen oder konvergenten Verlaufs zur Längsachse (4) mit einschliessen. In Betrachtung des Querschnitts weisen die einengenden Abschnitte (22) in der Regel eine geradlinige Kontur auf. Ein leicht konvexer oder konkaver Verlauf ist indes ebenfalls möglich. Ein konvexer Verlauf ist insbesondere im Falle der Anordnung einer geringen Anzahl oder lediglich eines oder zweier solcher Abschnitte (22) vorteilhaft.
Eine weitere, nicht in einer Figur gezeigte Ausfürhungsform besteht darin, den Brennerhohlraum (6) auch in seinem stromaufwärtigen Bereich (19) nicht mit einem kreisförmigen Querschnitt auszustatten, sondern den Brenner mit einem durchgehend nicht-rotationssymmetrisch konturierten Hohlraum (6) auszurüsten. Diese Ausführungsform bietet sich insbesondere für vieleckige Konturen (23) des Hohlraumquerschnitts (18) an.
Es ist aus dem Stand der Technik an sich bekannt, Brenner, so wie sie vorstehend definiert sind, zum Zwecke einer verbesserten Durchmischung und Flammenpositionierung bei schwierigen Brennstoffen mit Düsen (24) oder Mischrohren (25) auszurüsten, die dem Drallerzeuger (13) nachgeschaltet sind. Auch für derartige Brennervarianten ist die Erfindung geeignet, durch Störung der Strömungsinstabilitäten und Erzeugung eines verschmierten Zeitverzugs des Brennstoffs vom Eindüsungsort bis zur Flamme die strömungsmechanische Stabilität solcher Brenner zu erhöhen.
Die Fig.5 und 6 geben einen Vormischbrenner wieder, bestehend aus einem Drallerzeuger (13) für einen Verbrennungsluftstrom (5) und Mitteln zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffs (7) und/oder (8), wobei stromab des Drallerzeugers (13) eine Mischstrecke (25) angeordnet ist. In das die Mischstrecke (25) umgrenzende Gehäuse (26) können in gleichmässiger Umfangsverteilung spitz zur Längsachse (4) verlaufende Einlassöffnungen (27) zum Eindüsen einer zusätzlichen Verbrennungsluftmenge angeordnet sein. Vorzugsweise in einem Bereich stromab der Einlassöffnungen (27) wird der rotationssymmetrische Strömungsquerschnitt der Mischstrecke (25) durch den freien Querschnitt (29) verengende Abschnitte (22) abgelenkt und radial deformiert. Die Austrittsöffnung (16) nimmt eine vieleckige Querschnittsform ein, zusammengesetzt aus einer Mehrzahl geradliniger Abschnitte (22). Vielversprechend sind Austrittskonturen (16) in Form eines regelmässigen oder unregelmässigen (Fig.5) Vielecks. Die einzelnen geradlinigen Abschnitte (22) der Austrittskante (27) umspannen die Austrittsöffnung (16) des Brenners. Indes ist diese Geradlinigkeit, wie an anderer Stelle bereits erwähnt, nicht zwingend, und diese Abschnitte (22) können auch konvex oder konkav ausgebildet sein. Fig.6 deutet einen konvex ausgeformten Wandabschnitt (22) in asymmetrischer Anordnung an.
Fig.7 schliesslich zeigt eine Ausführungsvariante mit einem zylindrischen oder konvergenten Düsenabschnitt (24) am stromabwärtigen Brennerende. Nach dem Stand der Technik dienen diese nachgeschalteten Düsen (24) vorrangig einer Beschleunigung der Strömung am Brenneraustritt und damit einer Stabilisierung der Rückströmzone (15). Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird diese wünschenswerte Beschleunigung durch eine in Strömungsrichtung einsetzende und zunehmende Querschnittsverringerung dergestalt erreicht, dass dieser Düsenabschnitt (24) in Strömungsrichtung aus einer im wesentlichen kreisförmigen Querschnittsform auf eine andere Querschnittsform eingeengt wird, beispielsweise die eines regelmässigen oder unregelmässigen Vielecks oder eines Ovals.
- 1
- Teilkörper
- 2
- Teilkörper
- 3
- tangentialer Verbrennungslufteintrittskanal
- 4
- Brennerachse
- 5
- Verbrennungsluft
- 6
- Brennerhohlraum
- 7
- Eindüsungsöffnungen für Brennstoff
- 8
- zentrale Brennstoffdüse
- 9
- Drallströmung
- 10
- Frontplatte
- 11
- Kühlluftbohrungen
- 12
- Brennraum
- 13
- Drallerzeuger, Vormischstrecke
- 14
- Brennermündung
- 15
- Rückströmzone
- 16
- Austrittsquerschnitt in den Brennraum
- 17
- Flammenfront
- 18
- Strömungsquerschnitt des Brennerhohlraums
- 19
- stromaufwärtiger Bereich des Brennerhohlraums
- 20
- stromabwärtiger Bereich des Brennerhohlraums
- 21
- Wand des Brennerhohlraums
- 22
- Wandabschnitt
- 23
- Innenkontur des Brennerhohlraums
- 24
- Brennerdüse
- 25
- Mischstrecke
- 26
- Mischstreckengehäuse
- 27
- Austrittskante
- 28
- Einbauten
- 29
- Strömungsquerschnitt in der Mischstrecke
- 30
- Wand der Mischstrecke
- 31
- stromaufwärtiger Bereich der Mischstrecke
- 32
- stromabwärtiger Bereich der Mischstrecke
- 33
- Strömungsquerschnitt der Brennerdüse
- 34
- Wand der Düse
- 35
- stromaufwärtiger Bereich der Düse
- 36
- stromabwärtiger Bereich der Düse
Claims (20)
- Verfahren zur strömungsmechanischen Stabilisierung eines Vormischbrenners, in den mindestens ein Verbrennungsluftstrom (5) tangential in einen Brennerhohlraum (6) eingeleitet wird und sich unter Ausbildung einer koaxial zur Brennerachse (4) orientierten Drallströmung (9) mit einem eingedüsten gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff (7;8) vermischt und an einem Querschnittssprung an der Brennermündung (14) eine Rückströmzone (15) induziert, welche im Betrieb des Brenners zur Stabilisierung der Flamme dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallströmung (9) innerhalb des Brennerhohlraums (6) in Richtung auf die Brennermündung (14) zunehmend deformiert wird und in einem nicht-rotationssymmetrischen Strömungsquerschnitt in den Brennraum (12) eintritt, wobei diese Deformation zu Lasten des freien Strömungsquerschnitts (18) erzeugt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformation der Drallströmung (9) mit einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit einhergeht.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformation mit einer Verringerung des freien Strömungsquerschnitts (18) des Brennerhohlraums (6) einhergeht.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformation in der Weise erreicht wird, dass mindestens ein Umfangsabschnitt (22) der Hohlraumwand (21) in einem stromabwärtigen Bereich (20) des Brennerhohlraums (6) eine geringere Steigung aufweist als in einem stromaufwärtigen Bereich (19).
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das deformierte Strömungsprofil in Relation zu mindestens einer Achse symmetrisch ist.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsprofil die Kontur eines Vielecks annimmt.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Betrieb mager vorgemischter Brenner einer Gasturbinenanlage angewendet wird.
- Vormischbrenner zum Einsatz in einem Wärmeerzeuger, im wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (13) mit Mitteln (3) zum tangentialen Einbringen eines Verbrennungsluftstroms (5) in einen Hohlraum (6) des Drallerzeugers (13) sowie Mitteln (7;8) zum Einbringen von wenigstens einem gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom (5) unter Ausbildung einer Drallströmung (9) mit einer axialen Bewegungskomponente hin zur Brennermündung (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlraumkontur (21) in Strömungsrichtung von einer weitgehend rotationssymmetrischen in eine nicht-rotationssymmetrische Querschnittsform übergeht, indem über den Umfang betrachtet mindestens ein Abschnitt (22) der Hohlraumwandung (21) in einem stromabwärtigen Endbereich (20) gegenüber einem stromaufwärtigen Bereich (19) eine geringere Steigung in Relation zur Brennerlängsachse (4) einnimmt.
- Vormischbrenner nach Anspruch 8, umfassend mindestens zwei hohle, sich konisch erweiternde, koaxial zur Längsachse (4) ineinandergeschachtelte Teilkörper (1) und (2), deren Mittelachsen zueinander versetzt verlaufen und deren Wandungen (21) in einem Überlappungsbereich tangentiale Eintrittskanäle (3) für Verbrennungsluft (5) bilden, und wenigstens eine Brennstoffdüse (8) innerhalb des von den Teilkörpern (1) und (2) gebildeten Hohlraums (6), dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsbegrenzende Wand (21) mindestens eines der Teilkörper (1) oder (2) in einem stromabwärtigen Endbereich (20) mindestens einen Umfangsabschnitt (22) besitzt, welcher gegenüber einem stromaufwärtigen Bereich (19) eine geringere Steigung in Relation zur Brennerlängsachse (4) aufweist.
- Vormischbrenner nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang verteilt eine Mehrzahl, vorzugsweise zwei bis acht, solcher Abschnitte (22) existieren.
- Vormischbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner in einem Endbereich (20) einschliesslich der Brennermündung (14) eine vieleckige Kontur aufweist.
- Vormischbrenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner die Kontur eines regelmässigen Vielecks aufweist.
- Vormischbrenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner die Kontur eines unregelmässigen Vielecks aufweist.
- Vormischbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Teilkörper (1) oder (2) einen konvexen, vom Kreisrund abweichenden Austrittsquerschnitt (16) begrenzt.
- Vormischbrenner nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen wenigstens annähernd symmetrischen Austrittsquerschnitt (16).
- Vormischbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsbegrenzende Wand (21) des Brennerhohlraums (6) zwischen dem stromaufwärtigen Bereich (19) und dem stromabwärtigen Endbereich (20) stetig oder in einer oder mehreren Stufen von einer Steigung zur anderen übergeht.
- Vormischbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der stromabwärtige Endbereich (20) etwa das letzte Drittel der Länge des Brennerhohlraums (6) umfasst.
- Vormischbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem stromabwärtigen Bereich (20) innerhalb des Brennerhohlraums (6) auf die Wandung (21) den freien Strömungsquerschnitt (18) begrenzende Platten (28) aufgeschweisst oder in einer anderen geeigneten Weise befestigt sind.
- Vormischbrenner nach Anspruch 9, umfassend mindestens zwei hohle, sich konisch erweiternde, koaxial zur Längsachse (4) ineinandergeschachtelte Teilkörper (1) und (2), deren Mittelachsen zueinander versetzt verlaufen und deren Wandungen (21) in einem Überlappungsbereich tangentiale Eintrittskanäle (3) für Verbrennungsluft (5) bilden, und wenigstens eine Brennstoffdüse (8) innerhalb des von den Teilkörpern (1) und (2) gebildeten Hohlraums (6), weiterhin umfassend eine Mischstrecke (25) stromab des von den Teilkörpern (1) und (2) gebildeten Drallerzeugers (13), welche Mischstrecke (25) innerhalb eines ersten Anfangsbereichs in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle für die in dem Hohlraum (6) gebildete Drallströmung (9) aufweist und an einer Abrisskante (27) in den Brennraum (12) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass sich der freie Strömungsquerschnitt (29) der Mischstrecke (25) in Strömungsrichtung unter gleichzeitigem Übergang von einer weitgehend rotationssymmetrischen in eine nicht-rotationssymmetrische Querschnittsform verringert, indem mindestens ein Umfangsabschnitt (22) der die Mischstrecke begrenzenden Wand (30) in einem stromabwärtigen Bereich (32) gegenüber einem stromaufwärtigen Bereich (31) einen geringeren Abstand zur Düsenlängsachse (4) einnimmt.
- Vormischbrenner nach Anspruch 8, umfassend einen Drallerzeuger (13) mit Mitteln (3) zum tangentialen Einbringen eines Verbrennungsluftstroms (5) in einen Hohlraum (6) des Drallerzeugers (13) sowie Mitteln (7;8) zum Einbringen von wenigstens einem gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom (5) unter Ausbildung einer Drallströmung (9) mit einer axialen Bewegungskomponente hin zur Brennermündung (14) und eine Brennerdüse (24) am brennraumseitigen Ende, dadurch gekennzeichnet, dass sich der freie Strömungsquerschnitt (33) der Düse (24) in Strömungsrichtung unter gleichzeitigem Übergang von einer weitgehend rotationssymmetrischen in eine nicht-rotationssymmetrische Querschnittsform verringert, indem mindestens ein Umfangsabschnitt (22) der Düsenwandung (34) in einem stromabwärtigen Bereich (36) gegenüber einem stromaufwärtigen Bereich (35) einen geringeren Abstand zur Düsenlängsachse (4) einnimmt.
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