EP1205713A1 - Verfahren zur Brennstoffeinspritzung in einem Brenner - Google Patents

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EP1205713A1
EP1205713A1 EP01125598A EP01125598A EP1205713A1 EP 1205713 A1 EP1205713 A1 EP 1205713A1 EP 01125598 A EP01125598 A EP 01125598A EP 01125598 A EP01125598 A EP 01125598A EP 1205713 A1 EP1205713 A1 EP 1205713A1
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EP
European Patent Office
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burner
fuel
max
nozzles
combustion
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EP01125598A
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EP1205713B1 (de
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Christian Oliver Dr. Paschereit
Peter Dr. Flohr
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GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
Alstom Power NV
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • 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 present invention relates to a method for injecting fuel into a Burners, e.g. into a double-cone burner, as well as a burner for carrying this out Process.
  • thermoacoustic For burners that supply liquid or gaseous fuel to a combustion chamber, where the fuel burns on a flame front, so-called thermoacoustic often occur Fluctuations. So also, for example, but not exclusively, for the very successfully used so-called double-cone burner, as described in EP 0 321 809.
  • Fluid stability fluctuations are a main reason for the occurrence of such thermoacoustic instabilities. Fluid mechanical instability waves, that arise at the burner lead to the formation of eddies (coherent Structures) that affect combustion and periodic heat release with the associated pressure fluctuations. The fluctuating air column in the burner leads to fluctuations in the mixture break with the associated fluctuations in the heat release.
  • thermoacoustic vibrations pose a threat to any type of combustion application They lead to pressure vibrations of high amplitude, to a restriction of the operating area and can increase pollutant emissions. This is particularly true for combustion systems with low acoustic damping. To in terms of pulsations emissions and high power conversion over a wide operating range active combustion combustion control may be necessary.
  • Coherent structures play a crucial role in mixing processes between Air and fuel. The dynamics of these structures therefore affect combustion and with it the heat release. By influencing the shear layer between the Fresh gas mixture and the recirculated exhaust gas is a control of the combustion instabilities possible (e.g.
  • the flame position and thus the influence can be influenced by fuel staging of flow instabilities as well as time delay effects.
  • thermoacoustic vibrations Another mechanism that can lead to thermoacoustic vibrations are Fluctuations in the mixture break between fuel and air.
  • the invention is therefore based on the object of a method and a burner Implementation of such a method to indicate in which the occurrence of such thermoacoustic vibrations is reduced or even avoided.
  • thermoacoustic vibrations are made according to the invention reduced or even avoided entirely by using the fuel over the length of the burner distributed fuel nozzles is injected that the delay time ⁇ between injection of the fuel and its combustion on the flame front for the various fuel nozzles corresponds to a systematically varying distribution over the burner length, which avoids combustion-driven vibrations.
  • the fuel is injected in such a way that the time delay distribution over the burner length toward the burner end is designed to decrease essentially linearly from the maximum value ⁇ max by a maximum delay difference ⁇ to a minimum value at the burner end of ⁇ max - ⁇ .
  • This simple distribution can be implemented with relatively little effort and has an efficient effect.
  • the delay difference ⁇ is preferably set in the range of 10-90% of the maximum value ⁇ max , in particular in the range of more than 50% of the maximum value ⁇ max .
  • the burner is one Double cone burner, in which the burner consists of at least two positioned on top of each other hollow partial cone bodies, which have an increasing taper in the direction of flow have, and which partial cone bodies are arranged offset from one another, so that the Combustion air flows into the interior through a gap between the partial cone bodies, is formed.
  • the method can be used particularly cheaply.
  • the invention further relates to a burner for performing the above method wherein the fuel nozzles are divided into groups, and each having a group of Fuel nozzles is arranged on a line such that all fuel nozzles in a group are responsible for feeding the same area in the flame front.
  • the fuel nozzles are preferably distributed such that the Number of lines is greater than the average number of fuel nozzles in a group.
  • a double cone burner e.g. can the fuel nozzles on the cone surfaces of the Partial cone bodies can be arranged on lines for an area of the flame front. It appears thereby dividing the total of 32 nozzles of a double-cone burner into 8 groups on 8 lines with 4 nozzles each is advantageous.
  • the basic idea of the invention is to disturb the time delay ⁇ between the periodic heat release on the flame front and the pressure fluctuation during the injection, so that the Rayleigh criterion is no longer satisfied, ie heat release and pressure maximum are no longer in phase. This eliminates the driving mechanism for the occurrence of thermoacoustic vibrations.
  • the upper gap 7 is between the two conical Burner trays 8 and 9 can be seen.
  • the combustion air 23 passes through this gap 7 past the fuel nozzles 6 distributed over the burner length into the interior 22, wherein the fuel is captured by the air 23 flowing past and enclosed.
  • the combustion air flow flows to form a Direction of fuel spreading out in the direction of flow along the flow lines 5.
  • the fuel / air mixture then enters the combustion chamber 2, where it is on a flame front 3 inflamed.
  • the delay time ⁇ is that between the injection passes at the fuel nozzles 6 until ignition on the flame front 3, almost constant for all positions of the fuel nozzles, as shown schematically in Fig. 1b) (The coordinate x extends from the outlet 10 of the burner 1 to the rear one End, i.e. in Figure 1a) from right to left).
  • it cannot be systematic Variation of the delay times ⁇ as a function of the fuel nozzle position along the Burner 1 can be observed e.g. shorter delay times for nozzles 6 near the burner outlet 10), but rather a more or less random, around an average little fluctuating distribution as a function of the injection location x.
  • the distribution is set such that the delay times ⁇ vary linearly by a delay time difference ⁇ , namely from a minimum ⁇ max - ⁇ to a maximum in the rear burner area of ⁇ max linearly increasing.
  • FIG. 3 shows the burner stability as a function of the parameters ⁇ (x-axis) and ⁇ max (y-axis) for a delay time distribution as shown in FIG. 2.
  • Three values for the behavior at different flow velocities in the burner are given as individual measured values: for low flow velocities 17, for medium flow velocities 18 and for high flow velocities 19.
  • two fundamentally unstable areas hatched here.
  • an unstable area 16 of short delay times Almost independent of the choice of ⁇ , the burner is not acoustically stable for such high flow velocities.
  • a second, island-like region 13 of unstable behavior is found for low speeds, ie high values of ⁇ max , and for small values of ⁇ .
  • Such a distribution can be technically implemented using an exemplary embodiment serving double cone burner as already shown in Fig. 1 via a simple modification of fuel injection into the combustion air stream 23.
  • the fuel nozzles 6 are no longer arranged directly at column 7 between the two shells 8 and 9, but are resp. embedded in the conical surfaces of elements 8 and 9, and thereby systematically set the delay times.
  • the fuel nozzles 6 can do this be divided into groups, and each time the fuel nozzles of a group arranged on lines 20 that follow the streamlines along the torch contour. Nozzles one Group feed a certain area of the flame front, but with different Delay time ⁇ between the moment of injection and arrival at the flame front 3 it is advantageous to form as many groups as possible in order to spread the time delay to form a uniformly distributed flame.
  • the number of 32 nozzles typical of the pressure drop is e.g. divided into 8 groups, whose 4 nozzles (two per cone 8 and 9 respectively) are arranged on 8 lines of the same time delay become suitable to prevent the thermoacoustic vibrations.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff in einen Brenner (1), welcher Brenner (1) einen von wenigstens einer Schale (8,9) umschlossenen Innenraum (22) umfasst, bei welchem Brennstoff durch Brennstoffdüsen (6) in einen im Innenraum (22) strömenden Verbrennungsluftstrom (23) eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer Verzugszeit (τ) zu einer Flammfront (3) in einen Brennraum (2) strömt, und dort entzündet, wird die Ausbildung von thermoakustischen, verbrennungsgetriebenen Schwingungen dadurch erreicht, dass der Brennstoff derart mittels über die Brennerlänge verteilter Brennstoffdüsen (6) eingedüst wird, dass die Verzugszeit (τ) zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammfront (3) für die verschiedenen Brennstoffdüsen einer über die Brennerlänge systematisch variierenden, die Schwingungen verringernden Verteilung (12) entspricht. <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff in einen Brenner, z.B. in einen Doppelkegelbrenner, sowie einen Brenner zur Durchführung dieses Verfahrens.
STAND DER TECHNIK
Bei Brennern, welche flüssigen oder gasförmigen Brennstoff einem Brennraum zuführen, wo der Brennstoff an einer Flammfront verbrennt, treten häufig sogenannte thermoakustische Schwankungen auf. So auch z.B., aber nicht ausschliesslich, beim sehr erfolgreich eingesetzten sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er in der EP 0 321 809 beschrieben ist. Neben der strömungstechnischen Stabilität sind Mischungsbruchschwankungen ein Hauptgrund für das Auftreten von derartigen thermoakustischen Instabilitäten. Strömungsmechanische Instabilitätswellen, die am Brenner entstehen, führen zur Ausbildung von Wirbeln (kohärente Strukturen), die die Verbrennung beeinflussen und zu periodischer Wärmefreisetzung mit den damit verbundenen Druckschwankungen führen können. Die fluktuierende Luftsäule im Brenner führt zu Schwankungen im Mischungsbruch mit den damit verbundenen Schwankungen in der Wärmefreisetzung.
Diese thermoakustischen Schwingungen stellen eine Gefahr für jede Art von Verbrennungsanwendung dar. Sie führen zu Druckschwingungen hoher Amplitude, zu einer Einschränkung des Betriebsbereiches und können die Schadstoffemissionen erhöhen. Dies trifft insbesondere für Verbrennungssysteme mit geringer akustischer Dämpfung zu. Um in Bezug auf Pulsationen und Emissionen eine hohe Leistungskonversion über einen weiten Betriebsbereich zu ermöglichen, kann eine aktive Kontrolle der Verbrennungsschwingungen notwendig sein. Kohärente Strukturen spielen eine entscheidende Rolle bei Mischungsvorgängen zwischen Luft und Brennstoff. Die Dynamik dieser Strukturen beeinflusst demzufolge die Verbrennung und damit die Wärmefreisetzung. Durch Beeinflussung der Scherschicht zwischen dem Frischgasgemisch und dem rezirkulierten Abgas ist eine Kontrolle der Verbrennungsinstabilitäten möglich (z. B. Paschereit et al., 1998, "Structure and Control of Thermoacoustic Instabilities in a Gas-turbine Bumer", Combustion, Science & Technology, Vol. 138, 213-232). Eine Möglichkeit dazu ist die akustische Anregung (EP 0 918 152 A1).
Durch Brennstoffstaging lässt sich die Flammenposition beeinflussen und damit der Einfluss von Strömungsinstabilitäten als auch Zeitverzugseffekten vermindern.
Ein weiterer Mechanismus, der zu thermoakustischen Schwingungen führen kann, sind Schwankungen im Mischungsbruch zwischen Brennstoff und Luft.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen Brenner zur Durchführung eines derartigen Verfahrens anzugeben, bei welchem das Auftreten derartiger thermoakustischer Schwingungen vermindert oder sogar vermieden wird.
Es handelt sich dabei um ein Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff in einen Brenner, welcher Brenner einen von wenigstens einer Schale umschlossenen Innenraum umfasst, bei welchem Brennstoff durch Brennstoffdüsen in einen im Innenraum strömenden Verbrennungsluftstrom eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer Verzugszeit τ zu einer Flammfront in einen Brennraum strömt, und dort entzündet.
Bei einem derartigen Verfahren werden thermoakustische Schwingungen erfindungsgemäss verringert oder sogar ganz vermieden, indem der Brennstoff derart mittels über die Brennerlänge verteilter Brennstoffdüsen eingedüst wird, dass die Verzugszeit τ zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammfront für die verschiedenen Brennstoffdüsen einer über die Brennerlänge systematisch variierenden Verteilung entspricht, welche verbrennungsgetriebene Schwingungen vermeidet.
Bei einem konventionellen Brenner ist erfahrungsgemäss für alle der über die Brennerlänge verteilten Brennstoffdüsen die Verzugszeit τ zwischen Eindüsungsort und effektiver Verbrennung an der Flammfront im wesentlichen gleich. Man findet eine von der Eindüsungsposition unsystematische leichte Variation um einen Mittelwert. Dies führt dazu, dass sich thermoakustische Schwingungen leicht aufbauen können. Der Kern der Erfindung besteht nun also darin, den Brennstoff derart in den Verbrennungsluftstrom einzudüsen, dass sich keine im wesentlichen für alle über die Brennerlänge verteilten Brennstoffdüsen gleiche Verzugszeit τ zwischen Eindüsungsort und effektiver Verbrennung an der Flammfront einstellt, sondern dass die Verzugszeit eine über die Brennerlänge systematisch variierende Verteilung annimmt.
Ein erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der maximale Zeitverzug τmax zwischen Eindüsungsort und Flammfront im Bereich von τmax = 5-50 ms liegt, und dass insbesondere bevorzugt bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Gemisches im Innenraum im Bereich von 20-50 m/s der maximale Zeitverzug τmax im Bereich von τmax = 5-15 ms liegt, dies unter Berücksichtigung der Verschiebung der Flammfrontposition in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit. Wird das Verfahren unter derartigen Bedingungen angewendet, so können die thermoakustischen Schwingungen besonders gut verringert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Brennstoff derart eingedüst, dass die Zeitverzugsverteilung über die Brennerlänge zum Brennerende hin vom Maximalwert τmax um eine maximale Verzugsdifferenz Δτ im wesentlichen linear abnehmend zu einem Minimalwert beim Brennerende von τmax - Δτ gestaltet ist. Diese einfache Verteilung kann mit relativ wenig Aufwand realisiert werden und zeigt eine effiziente Wirkung. Es zeigt sich, dass bevorzugt die Verzugsdifferenz Δτ in den Bereich von 10-90% des Maximalwerts τmax, insbesondere in den Bereich von mehr als 50 % des Maximalwerts τmax eingestellt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens handelt es sich beim Brenner um einen Doppelkegelbrenner, bei welchem der Brenner aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörpern, welche in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen, und welche Teilkegelkörper zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die Verbrennungsluft durch einen Spalt zwischen den Teilkegelkörpern in den Innenraum strömt, gebildet wird. Gerade bei diesem, bereits oben genannten, vormischartigen Doppelkegelbrenner lässt sich das Verfahren besonders günstig anwenden.
Des weiteren betrifft die Erfindung einen Brenner zur Durchführung des obigen Verfahrens wobei die Brennstoffdüsen in Gruppen aufgeteilt sind, und wobei jeweils eine Gruppe von Brennstoffdüsen auf einer Linie derart angeordnet ist, dass alle Brennstoffdüsen einer Gruppe für die Speisung des gleichen Bereichs in der Flammfront zuständig sind. Insbesondere bevorzugt werden bei einem derartigen Brenner die Brennstoffdüsen derart verteilt, dass die Anzahl von Linien grösser ist als die mittlere Anzahl von Brennstoffdüsen einer Gruppe. Bei einem Doppelkegelbrenner z.B. können die Brennstoffdüsen auf den Konusoberflächen der Teilkegelkörper auf Linien für einen Bereich der Flammfront angeordnet werden. Es zeigt sich dabei, dass eine Aufteilung der insgesamt 32 Düsen eines Doppelkegelbrenners in 8 Gruppen auf 8 Linien mit je 4 Düsen vorteilhaft ist.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1a)
einen konventionellen Doppelkegelbrenner mit typischer Brennstoffeindüsung;
Fig. 1b)
die bei einem Brenner nach Fig. 1a) auftretende schematisierte Verzugszeitverteilung über die Brennerlänge;
Fig. 2
eine lineare Verzugszeitverteilung;
Fig. 3
eine zweidimensionale Stabilitätsanalyse von Verzugszeitverteilungen;
Fig. 4a)
einen Doppelkegelbrenner mit verteilter Brennstoffdüsenanordnung; und
Fig. 4b)
mögliche Verzugszeitenverteilungen bei einem Brenner nach Fig. 4a).
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Beeinflusst man den Zeitverzug zwischen der Brennstoffeindüsung und der periodischen Wärmefreisetzung, d.h. der Flammfront, kann man die Verbrennungsinstabilitäten kontrollieren. Der Grundgedanke der Erfindung ist, den Zeitverzug τ zwischen der periodischen Wärmefreisetzung an der Flammfront und der Druckschwankung bei der Eindüsung zu stören, so dass das Rayleigh-Kriterium
Figure 00040001
nicht mehr erfüllt ist, d.h. Wärmefreisetzung und Druckmaximum nicht mehr in Phase sind. Damit ist der treibende Mechanismus für das Auftreten von thermoakustischen Schwingungen unterbunden. Die Darstellung des Rayleigh-Kriteriums nach Fouriertransformation im Frequenzbereich zeigt diesen Zusammenhang noch deutlicher: G(x)= 2 ∫|Spq (x, f)| cos( pq )df wobei Spq das Kreuzspektrum zwischen Druckfluktuationen p' und Fluktuationen der Wärmefreisetzung q' darstellt und pq die Phasendifferenz. Durch Wahl der korrekten Phasendifferenz zwischen Wärmefreisetzung (beeinflussbar durch den Zeitverzug) und dem Drucksignal kann der Rayleigh-Index auf G(x) < 0 eingestellt werden und damit ist das System gedämpft. Es zeigt sich nun, dass der Zeitverzug vom Eindüsungsort bei den Brennstoffdüsen bis zur Flammfront bei bestehenden Vormischbrennern über die gesamte Eindüsungslänge des Vormischgases in bestimmten Betriebspunkten konstant ist. So z.B. bei einem Doppelkegelbrenner nach dem Stand der Technik wie in Fig. 1a) dargestellt.
In diesem beispielhaft zu verstehenden Längsschnitt durch einen Doppelkegelbrenner 1, wie er z.B. aus der EP 0 321 809 bekannt ist, ist der obere Spalt 7 zwischen den beiden konischen Brennerschalen 8 und 9 erkennbar. Die Verbrennungsluft 23 tritt durch diesen Spalt 7 an den über die Brennerlänge verteilten Brennstoffdüsen 6 vorbei in den Innenraum 22, wobei der Brennstoff von der vorbeiströmenden Luft 23 erfasst und umschlossen wird. Im Innenraum 22 des Brenners 1 strömt der Verbrennungsluftstrom unter Ausbildung einer sich in Strömungsrichtung ausbreitenden kegelförmigen Brennstoffsäule entlang der Stomlinien 5. Das Brennstoff/Luft-Gemisch gelangt dann in den Brennraum 2, wo es an einer Flammfront 3 entzündet.
Bei einem derartigen Doppelkegelbrenner ist die Verzugszeit τ, die zwischen der Eindüsung an den Brennstoffdüsen 6 bis zur Entzündung an der Flammfront 3 verstreicht, nahezu konstant für alle Positionen der Brennstoffdüsen, wie dies in Fig. 1b) schematisch dargestellt ist (die Koordinate x erstreckt sich dabei vom Ausgang 10 des Brenners 1 zu dessen hinterem Ende, d.h. in der Figur 1a) von rechts nach links). Es kann mit anderen Worten keine systematische Variation der Verzugszeiten τ in Funktion der Brennstoffdüsenposition entlang des Brenners 1 beobachtet werden (z.B. kürzere Verzugszeiten für Düsen 6 nahe beim Brenneraustritt 10), sondern vielmehr eine mehr oder weniger zufällig erscheinende, um einen Mittelwert nur wenig schwankende Verteilung als Funktion des Eindüsungsortes x.
Wie in Fig. 2 dargestellt, wird nun erfindungsgemäss vorgeschlagen, anstelle des bisher im wesentlichen konstanten Zeitverzugs von der Brennstoffeindüsung 6 bis zur Flammfront 3 eine Verteilung der Verzugszeit über die Brennerlänge einzustellen. Die Verteilung wird in einer ersten Wahl so eingestellt, dass die Verzugszeiten τ um eine Verzugszeitendifferenz Δτ linear variiert, und zwar von einem Minimum τmax-Δτ zum Maximum im hinteren Brennerbereich von τmax linear zunehmend.
In einer zweidimensionalen Darstellung ist in Fig. 3 die Brennerstabilität als Funktion der Parameter Δτ (x-Achse) und τmax (y-Achse) für eine Verzugszeitverteilung wie in Fig. 2 angegeben. Als einzelne Messwerte sind dabei exemplarisch drei Werte für das Verhalten bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten im Brenner angegeben: für niedrige Strömungsgeschwindigkeit 17, für mittlere Strömungsgeschwindigkeit 18 und für hohe Strömungsgeschwindigkeit 19. Allgemein zeigt es sich, dass sich zwei grundsätzlich instabile, hier schraffierte Bereiche ausbilden. Auf der einen Seite ein unstabiler Bereich 16 kurzer Verzugszeiten. Fast unabhängig von der Wahl von Δτ ist der Brenner hier nicht akustisch stabil für derart hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Ein zweiter, inselartiger Bereich 13 unstabilen Verhaltens findet sich für niedrige Geschwindigkeiten, d.h. hohe Werte von τmax, und für kleine Werte von Δτ.
Es ist nun leicht erkennbar, dass sich die Stabilität eines Brenners, der mit seinen typischen Betriebswerten meist nahe der Insel 13 arbeitet, sowohl durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit gemäss Pfeil 15 stabilisiert werden kann, als auch durch eine Erhöhung der Verzugszeitendifferenz Δτ, d.h. durch eine Verschiebung des Betriebspunktes in der Graphik gemäss Pfeil 14 nach rechts. Da aus praktischen Gründen der Wert von τmax nicht einfach immer in den stabilen niedrigen Bereich gem. 15 verschoben werden kann, ist eine Verschiebung mittels Einstellung erhöhter Verzugseitendifferenzen Δτ, d.h. über stärker gespreizte Verzugszeiten, oftmals eine effiziente und realisierbare Alternative.
Typischerweise liegen die Verzugszeiten bei Brennern im Bereich von τ = 5-50 ms, bei Doppelkegelbrennern normalerweise im Bereich von 5-15 ms bei Strömungsgeschwindigkeiten von 10-50 m/s. Δτ kann nun in einem weiten Bereich variiert werden, typischerweise finden aber Variationen von Δτ = 0.5 τmax Anwendung, bei Doppelkegelbrennern erweist sich eine Variation von Δτ ≥ 0.5 τmax als besonders vorteilhaft.
Technisch realisieren lässt sich eine derartige Verteilung an einem als Ausführungsbeispiel dienenden Doppelkegelbrenner wie bereits in Fig. 1 dargestellt über eine einfache Modifikation der Brennstoffeinspritzung in den Verbrennungsluftstrom 23. Die Brennstoffdüsen 6 werden hier nicht mehr unmittelbar an der Spalte 7 zwischen den beiden Schalen 8 und 9 angeordnet, sondern werden auf resp. in die Konusoberflächen der Elemente 8 und 9 eingelassen, und dadurch systematisch die Verzugszeiten eingestellt. Die Brennstoffdüsen 6 können dafür in Gruppen aufgeteilt werden, und jeweils die Brennstoffdüsen einer Gruppe werden dabei auf Linien 20 angeordnet, die den Stromlinien entlang der Brennerkontur folgen. Düsen einer Gruppe speisen einen bestimmten Bereich der Flammfront, allerdings mit unterscheidlicher Verzugszeit τ zwischen Moment der Eindüsung und Ankunft an der Flammfront 3. Dabei ist es von Vorteil, möglichst viele Gruppen zu bilden um zusätzliche zur Streuung des Zeitverzugs eine gleichmässig vertieilte Flamme auszubilden. Bei der für Doppelkegelbrenner wegen des Druckabfalls typischen Zahl von 32 Düsen, ist z.B. eine Aufteilung auf 8 Gruppen, deren jeweils 4 Düsen (je zwei pro Konus 8 resp. 9) auf 8 Linien gleichen Zeitverzugs angeordnet werden, geeignet, um die thermoakustischen Schwingungen zu verhindern.
Eine Anordnung der Brennstoffdüsen 6 auf derartigen Linien 20 erlaubt nun die Einstellung von Verzugszeitenverteilungen in einem ganzen Bereich 21, wie sie in Fig. 4b) dargestellt ist. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen der Brennstoffdüsen an resp. in einem Brenner möglich, welche zu einer gezielten, thermoakustische Schwingungen verhindernden systematischen Verteilung der Verzugszeiten führen, und das vorgestellte Ausführungsbeispiel sowie die angegebenen, im wesentlichen linearen Verteilungen sind nur beispielhaft zu verstehen.
BEZEICHNUNGSLISTE
1
Doppelkegelbrenner
2
Brennraum
3
Flammfront
4
Wand des Brennraums
5
Stromlinien des Brennstoff/Luft Gemisches
6
Brennstoffdüsen
7
Spalt zwischen den konischen Brennerschalen
8
Innere konische Brennerschale bei 7
9
Äussere konische Brennerschale bei 7
10
Vorderes Ende des Doppelkegelbrenners
11
Konstanter Zeitverzug
12
Zeitverzugsverteilung
13
Unstabiler Bereich hoher Verzugszeiten
14
Stabilisierende Verschiebung nach grossen Verteilungsbreiten
15
Stabilisierende Verschiebung nach kurzen Verzugszeiten
16
Unstabiler Bereich kurzer Verzugszeiten
17
Verhalten bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit
18
Verhalten bei mittlerer Strömungsgeschwindigkeit
19
Verhalten bei hoher Strömungsgeschwindigkeit
20
Linien für gleichen Bereich der Flammfront
21
Einstellbarer Zeitverzugsbereich
22
Innenraum
23
Verbrennungsluftstrom

Claims (10)

  1. Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff in einen Brenner (1), welcher Brenner (1) einen von wenigstens einer Schale (8,9) umschlossenen Innenraum (22) umfasst, bei welchem Brennstoff durch Brennstoffdüsen (6) in einen im Innenraum (22) strömenden Verbrennungsluftstrom (23) eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer Verzugszeit (τ) zu einer Flammfront (3) in einen Brennraum (2) strömt, und dort entzündet, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Brennstoff derart mittels über die Brennerlänge verteilter Brennstoffdüsen (6) eingedüst wird, dass die Verzugszeit (τ) zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammfront (3) für die verschiedenen Brennstoffdüsen einer über die Brennerlänge systematisch variierenden Verteilung (12) entspricht, welche verbrennungsgetriebene Schwingungen vermeidet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Zeitverzug (τmax) zwischen Eindüsungsort (6) und Flammfront (3) im Bereich von τmax = 5-50 ms liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Gemisches im Innenraum im Bereich von 20-50 m/s der maximale Zeitverzug (τmax) im Bereich von τmax = 5 - 15 ms liegt.
  4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff derart eingedüst wird, dass die Zeitverzugsverteilung (12) über die Brennerlänge zum Brennerende (10) hin vom Maximalwert τmax um eine maximale Verzugsdifferenz (Δτ) im wesentlichen linear abnehmend zu einem Minimalwert beim Brennerende (10) von τmax - Δτ gestaltet ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzugsdifferenz (Δτ) im Bereich von 10-90% des Maximalwerts (τmax), insbesondere im Bereich von mehr als 50 % des Maximalwerts (τmax) liegt.
  6. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Brenner (1) um einen Doppelkegelbrenner handelt, bei welchem der Brenner (1) aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörpern (8,9), welche in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen, und welche Teilkegelkörper (8,9) zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die Verbrennungsluft (23) durch einen Spalt (7) zwischen den Teilkegelkörpern (8,9) in den Innenraum (22) strömt, gebildet wird.
  7. Brenner (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (6) in Gruppen aufgeteilt sind, wobei jeweils eine Gruppe von Brennstoffdüsen (6) auf einer Linie (20) derart angeordnet ist, dass alle Düsen (6) der Gruppe einen bestimmten Bereich der Flammfront (3) mit unterschiedlichem Zeitverzug (τ) speisen.
  8. Brenner (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Linien (20) grösser ist als die mittlere Anzahl von Brennstoffdüsen (6) einer Gruppe.
  9. Brenner nach einem der Ansprüche 7 oder 8 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen auf den Konusoberflächen der Teilkegelkörper (8,9) auf einen bestimmten Bereich der Flammfront speisenden Linien (20) angeordnet sind.
  10. Brenner (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner insgesamt 32 Düsen aufweist, welche in 8 Gruppen auf 8 Linien (20) mit je 4 Düsen aufgeteilt sind.
EP01125598A 2000-11-09 2001-10-26 Verfahren zur Brennstoffeinspritzung in einem Brenner Expired - Lifetime EP1205713B1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10055408 2000-11-09
DE10055408A DE10055408A1 (de) 2000-11-09 2000-11-09 Verfahren zur Brenstoffeinspritzung in einen Brenner

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Publication Number Publication Date
EP1205713A1 true EP1205713A1 (de) 2002-05-15
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