EP1205713B1 - Method of fuel injection in a burner - Google Patents
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- EP1205713B1 EP1205713B1 EP01125598A EP01125598A EP1205713B1 EP 1205713 B1 EP1205713 B1 EP 1205713B1 EP 01125598 A EP01125598 A EP 01125598A EP 01125598 A EP01125598 A EP 01125598A EP 1205713 B1 EP1205713 B1 EP 1205713B1
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- fuel
- max
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- 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
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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
- 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
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- 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 of injecting fuel into a burner, which is designed as a double-cone burner, and to a burner for carrying out this method.
- thermoacoustic fluctuations In burners, which supply liquid or gaseous fuel to a combustion chamber where the fuel burns at a flame front, so-called thermoacoustic fluctuations often occur. So also, for example, but not exclusively, in the very successfully used so-called double-cone burner, as in the EP 0 321 809 is described.
- mixture rupture fluctuations are a major reason for the occurrence of such thermoacoustic instabilities.
- Fluid-mechanical instability waves which arise at the burner, lead to the formation of vortices (coherent structures), which influence the combustion and can lead to periodic heat release with the associated pressure fluctuations.
- the fluctuating air column in the burner leads to fluctuations in the mixing fraction with the associated fluctuations in the heat release.
- thermoacoustic vibrations pose a danger to any type of combustion application. They lead to high amplitude pressure oscillations, a limitation of the operating range and can increase pollutant emissions. This is especially true for low acoustic attenuation combustion systems.
- active control of the combustion vibrations may be necessary.
- Coherent structures play a crucial role in mixing processes between air and fuel. The dynamics of these structures consequently influence the combustion and thus the heat release. By influencing the shear layer between the fresh gas mixture and the recirculated exhaust gas, a control of the combustion instabilities is possible (eg.
- the flame position can be influenced and thus the influence of flow instabilities as well as time delay effects reduced.
- thermoacoustic oscillations Another mechanism that can lead to thermoacoustic oscillations are fluctuations in the mixture break between fuel and air
- DE 44 46 945 A1 discloses a double-cone burner, in which the delay time from the injection to the combustion of all fuel streams is the same size, so that disadvantageous thermoacoustic oscillations occur.
- the fuel concentration at the outlet of the burner in the region of the burner axis is greater than the average fuel concentration in the exit plane of the burner.
- the combustion chamber can be operated near the lean extinction limit.
- a burner is known in which via axially distributed fuel nozzles fuel is injected to improve the burner stability by damping the amplitude change. The burner is operated so that there is a decoupling of the fuel from the combustion and the dynamic pressure instability is reduced in the combustion chamber.
- the invention is therefore an object of the invention to provide a method and a Brenne the Doppelkegelbauart for performing such a method in which the occurrence of such thermoacoustic vibrations is reduced or even avoided.
- thermoacoustic oscillations are reduced or even completely avoided by injecting the fuel via fuel nozzles distributed over the entire burner length and arranged on the cone surfaces of the partial cone bodies (8, 9) on a specific area of the flame front in that the delay time ⁇ between injection of the fuel and its combustion at the flame front for the different fuel nozzles corresponds to a distribution which varies systematically over the burner length and avoids combustion-induced vibrations.
- the fuel is injected in such a way that the time delay distribution over the burner length towards the burner end is designed to be substantially linearly decreasing 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 realized with relatively little effort and shows an efficient effect. It can be seen that preferably the delay difference ⁇ is 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 method is a double-cone burner in which the burner of at least two successive hollow cone bodies, which have an increasing conical inclination in the flow direction, and which part cone bodies are arranged offset to each other, so that the combustion air through a gap between the part cone bodies in the Interior flows, is formed.
- premix-type double-cone burner the method can be applied particularly favorable.
- the invention relates to a double-cone burner for carrying out the above method, wherein the fuel nozzles are arranged on the cone surfaces of the Teikegel Orchestra on lines for a region of the flame front wherein the fuel nozzles are divided into groups, and wherein each of a group of Fuel nozzles is arranged in a line such that all the fuel nozzles of a group are responsible for the supply of the same area in the flame front.
- the fuel nozzles are distributed such that the number of lines is greater than the average number of fuel nozzles of a group. It turns out that a division of the total of 32 nozzles of a double-cone burner in 8 groups on 8 lines with 4 nozzles is advantageous.
- Premixed gas is constant at certain operating points. For example, in a double-cone burner according to the prior art as shown in Fig. 1a).
- the fuel / air mixture then passes into the combustion chamber 2, where it ignites at a flame front 3.
- the delay time ⁇ which elapses between the injection at the fuel nozzles 6 to the ignition at 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 its rear end, ie in the figure 1a) from right to left).
- the delay times ⁇ as a function of the fuel nozzle position along the burner 1 can be observed (eg shorter delay times for nozzles 6 near the burner exit 10), but rather a more or less random distribution which fluctuates only a little as a function of injection location x.
- the distribution is set in a first choice so that the delay times ⁇ linearly varies by a delay time difference ⁇ , linearly increasing from a minimum ⁇ max - ⁇ to the maximum in the rear burner region of ⁇ max .
- FIG. 3 the burner stability as a function of the parameters ⁇ (x-axis) and ⁇ max (y-axis) for a delay time distribution is indicated as in FIG. 2.
- ⁇ x-axis
- ⁇ max y-axis
- three values for the behavior at different flow velocities in the burner are given as individual measured values: for low flow velocity 17, for average flow velocity 18 and for high flow velocity 19.
- two basically unstable, here hatched areas form.
- an unstable region 16 short delay times.
- Such a distribution can be implemented technically on a double-cone burner serving as an exemplary embodiment, as already illustrated in FIG. 1, by way of a simple modification of the fuel injection into the combustion air stream 23.
- the fuel nozzles 6 become no longer arranged directly on the column 7 between the two shells 8 and 9 here, but are resp. embedded in the cone surfaces of the elements 8 and 9, and thereby systematically set the delay times.
- the fuel nozzles 6 can be divided into groups, and in each case the fuel nozzles of a group are arranged on lines 20 which follow the flow lines along the burner contour. Nozzles of a group feed a certain area of the flame front, but with a different delay time ⁇ between moment of injection and arrival at the flame front 3.
- thermoacoustic oscillations prevent it is advantageous to form as many groups as possible to form a uniformly submerged flame for additional scattering of the time delay.
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahre u Einspritzung von Brennstoff in einen Brenner, welcher als Doppelkegelbrenner ausgebildet ist, sowie einen Brenner zur Durchführung dieses Verfahrens.The present invention relates to a method of injecting fuel into a burner, which is designed as a double-cone burner, and to a burner for carrying out this method.
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
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.
Durch Brennstoffstaging lässt sich die Flammenposition beeinflussen und damit der Einfluss von Strömungsinstabilitäten als auch Zeitverzugseffekten vermindern.Through fuel staging, the flame position can be influenced and thus the influence of flow instabilities as well as time delay effects reduced.
Ein weiterer Mechanismus, der zu thermoakustischen Schwingungen führen kann, sind Schwankungen im Mischungsbruch zwischen Brennstoff und LuftAnother mechanism that can lead to thermoacoustic oscillations are fluctuations in the mixture break between fuel and air
In
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen Brenne der Doppelkegelbauart zur Durchführung eines derartigen Verfahrens anzugeben, bei welchem das Auftreten derartiger thermoakustischer Schwingungen vermindert oder sogar vermieden wird.The invention is therefore an object of the invention to provide a method and a Brenne the Doppelkegelbauart for performing such a method in which the occurrence of such thermoacoustic vibrations is reduced or even avoided.
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, wobei 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. Bei einem derartigen Verfahren werden thermoakustische Schwingungen erfindungsgemäss verringert oder sogar ganz vermieden, indem der Brennstoff derart mittels über die gesamte Brennerlänge verteilter und auf den Konusoberflächen der Teilkegelkörper (8,9) auf einen bestimmten Bereich der Flammfront speisenden Linien (20) angeordneter 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.It is a method for injecting fuel into a burner, which burner comprises an interior space enclosed by at least one shell, in which fuel is injected through fuel nozzles into a combustion air stream flowing in the interior, the resulting fuel / air mixture within a delay time τ flows to a flame front in a combustion chamber, and ignited there, wherein the burner (1) is a double-cone burner, wherein the burner (1) from at least two successive hollow cone bodies (8,9), which in the flow direction Have increasing conical inclination, and which part cone body (8,9) are arranged offset to each other, so that the combustion air (23) through a gap (7) between the part cone bodies (8,9) flows into the interior (22) is formed. In such a method, according to the invention, thermoacoustic oscillations are reduced or even completely avoided by injecting the fuel via fuel nozzles distributed over the entire burner length and arranged on the cone surfaces of the partial cone bodies (8, 9) on a specific area of the flame front in that the delay time τ between injection of the fuel and its combustion at the flame front for the different fuel nozzles corresponds to a distribution which varies systematically over the burner length and avoids combustion-induced vibrations.
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 Verorennungsluftstrom einzudüsen, dass sich keine im wesentlichen für alle über die gesamte 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.In a conventional burner, experience has shown that the delay time τ between injection location and effective combustion at the flame front is essentially the same for all fuel nozzles distributed over the burner length. One finds an unsystematic slight variation around the mean value of the injection position. As a result, thermoacoustic vibrations can easily build up. The essence of the invention is thus to inject the fuel into the combustion air stream in such a way that no fuel nozzle that is essentially distributed over the entire burner length is set to the same delay time τ between injection site and effective combustion at the flame front, but that the delay time exceeds one Burner length systematically assumes varying distribution.
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.A first preferred embodiment of the invention is characterized in that the maximum time delay τ max between Eindüsungsort and flame front in the range of τ max = 5-50 ms, and that particularly preferably at a flow rate of the fuel / air mixture in the interior in the area of 20-50 m / s, the maximum time delay τ max is in the range of τ max = 5-15 ms, taking into account the displacement of the flame front position as a function of the flow velocity. If the method is used under such conditions, the thermoacoustic vibrations can be reduced particularly well.
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 wirdIn a further embodiment of the invention, the fuel is injected in such a way that the time delay distribution over the burner length towards the burner end is designed to be substantially linearly decreasing from the maximum value τ max by a maximum delay difference Δτ to a minimum value at the burner end of τ max -Δτ. This simple distribution can be realized with relatively little effort and shows an efficient effect. It can be seen that preferably the delay difference Δτ is set in the range of 10-90% of the maximum value τ max , in particular in the range of more than 50% of the maximum value τ max
Bei dem Verfahren handelt es sich 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.The method is a double-cone burner in which the burner of at least two successive hollow cone bodies, which have an increasing conical inclination in the flow direction, and which part cone bodies are arranged offset to each other, so that the combustion air through a gap between the part cone bodies in the Interior flows, is formed. Especially in this, already mentioned above, premix-type double-cone burner, the method can be applied particularly favorable.
Des weiteren betrifft die Erfindung einer Doppelkegelbrenner zur Durchführung des obigen Verfahrens, bei dem die Brennstoffdüsen auf den Konusoberflächen der Teikegelkörper auf Linien für einen Bereich der Flammfront angeordnet sind 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. 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.Furthermore, the invention relates to a double-cone burner for carrying out the above method, wherein the fuel nozzles are arranged on the cone surfaces of the Teikegelkörper on lines for a region of the flame front wherein the fuel nozzles are divided into groups, and wherein each of a group of Fuel nozzles is arranged in a line such that all the fuel nozzles of a group are responsible for the supply of the same area in the flame front. Particularly preferred in such a burner, the fuel nozzles are distributed such that the number of lines is greater than the average number of fuel nozzles of a group. It turns out that a division of the total of 32 nozzles of a double-cone burner in 8 groups on 8 lines with 4 nozzles is advantageous.
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).
- Fig. 1a)
- a conventional double-cone burner with typical fuel injection;
- Fig. 1b)
- the schematic delay time distribution occurring over the torch length in the case of a burner according to FIG. 1a);
- Fig. 2
- a linear delay time distribution;
- Fig. 3
- a two-dimensional stability analysis of delay time distributions;
- Fig. 4a)
- a dual cone burner with a distributed fuel nozzle assembly; and
- Fig. 4b)
- possible delay time distributions in a burner according to Fig. 4a).
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
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:
wobei Spq das Kreuzspektrum zwischen Druckfluktuationen p' und Fluktuationen der Wärmefreisetzung q' darstellt und φpq 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.If one influences the time lag between the fuel injection and the periodic heat release, ie the flame front, one can control the combustion instabilities. The basic idea of the invention is to disrupt the time delay τ between the periodic heat release at the flame front and the pressure fluctuation during the injection, so that the Rayleigh criterion
is no longer satisfied, ie heat release and maximum pressure are no longer in phase. This prevents the driving mechanism for the occurrence of thermoacoustic oscillations. The representation of the Rayleigh criterion after Fourier transformation in the frequency domain shows this relationship even more clearly:
where S pq represents the cross spectrum between pressure fluctuations p 'and fluctuations of the heat release q' and φ pq the phase difference. By choosing the correct phase difference between heat release (influenced by the time delay) and the pressure signal, the Rayleigh index can be set to G (x) <0 and thus the system is muted.
Es zeigt sich nun, dass der Zeitverzug vom Eindüsungsort bei den Brennstoffdüsen bis zur Flammfront bei bestehenden Vormischbrennern über die gesamte Eindüsungslänge desIt now turns out that the time delay from the point of injection at the fuel nozzles to the flame front in existing premix burners over the entire injection length of the
Vormischgases in bestimmten Betriebspunkten konstant ist. So z.B. bei einem Doppelkegelbrenner nach dem Stand der Technik wie in Fig. 1a) dargestellt.Premixed gas is constant at certain operating points. For example, in a double-cone burner according to the prior art as shown in Fig. 1a).
In diesem beispielhaft zu verstehenden Längsschnitt durch einen Doppelkegelbrenner 1, wie er z.B. aus der
Strömungsrichtung ausbreitenden kegelförmigen Brennstoffsäule entlang der Stomlinien 5.Flow direction propagating conical fuel column along the stomata. 5
Das Brennstoff/Luft-Gemisch gelangt dann in den Brennraum 2, wo es an einer Flammfront 3 entzündet.The fuel / air mixture then passes into the
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.In such a double-cone burner, the delay time τ, which elapses between the injection at the
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.As shown in FIG. 2, it is proposed according to the invention to set a distribution of the delay time over the burner length instead of the hitherto substantially constant time delay from the
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.In a two-dimensional representation, in FIG. 3 the burner stability as a function of the parameters Δτ (x-axis) and τ max (y-axis) for a delay time distribution is indicated as in FIG. 2. As an example, three values for the behavior at different flow velocities in the burner are given as individual measured values: for
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.Almost regardless of the choice of Δτ, the burner is not acoustically stable here for such high flow velocities. A second, island-
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.It can easily be seen that the stability of a burner, which operates with its typical operating values mostly close to the
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.Typically, the delay times for burners are in the range of τ = 5-50 ms, for double-cone burners normally in the range of 5-15 ms at flow rates of 10-50 m / s. Δτ can be varied over a wide range now, but typically find variations of Δτ = 0.5 τ max application in double cone burners, a variation of Δτ proves ≥ 0.5 τ max be particularly advantageous.
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.Such a distribution can be implemented technically on a double-cone burner serving as an exemplary embodiment, as already illustrated in FIG. 1, by way of a simple modification of the fuel injection into the
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.An arrangement of the
- 11
- DoppelkegelbrennerDouble-cone burner
- 22
- Brennraumcombustion chamber
- 33
- Flammfrontflame front
- 44
- Wand des BrennraumsWall of the combustion chamber
- 55
- Stromlinien des Brennstoff/Luft GemischesStreamlines of the fuel / air mixture
- 66
- Brennstoffdüsenfuel nozzles
- 77
- Spalt zwischen den konischen BrennerschalenGap between the conical burner shells
- 88th
- Innere konische Brennerschale bei 7Inner conical burner bowl at 7
- 99
- Äussere konische Brennerschale bei 7Outer conical burner bowl at 7
- 1010
- Vorderes Ende des DoppelkegelbrennersFront end of the double cone burner
- 1111
- Konstanter ZeitverzugConstant time delay
- 1212
- ZeitverzugsverteilungDelay distribution
- 1313
- Unstabiler Bereich hoher VerzugszeitenUnstable range of high delay times
- 1414
- Stabilisierende Verschiebung nach grossen VerteilungsbreitenStabilizing shift after large distribution widths
- 1515
- Stabilisierende Verschiebung nach kurzen VerzugszeitenStabilizing shift after short delay times
- 1616
- Unstabiler Bereich kurzer VerzugszeitenUnstable range of short delay times
- 1717
- Verhalten bei niedriger StrömungsgeschwindigkeitBehavior at low flow velocity
- 1818
- Verhalten bei mittlerer StrömungsgeschwindigkeitBehavior at medium flow rate
- 1919
- Verhalten bei hoher StrömungsgeschwindigkeitBehavior at high flow velocity
- 2020
- Linien für gleichen Bereich der FlammfrontLines for same area of the flame front
- 2121
- Einstellbarer ZeitverzugsbereichAdjustable time delay range
- 2222
- Innenrauminner space
- 2323
- VerbrennungsluftstromCombustion air flow
Claims (9)
- Method for injecting fuel into a burner (1), which burner (1) comprises an interior space (22) which is enclosed by at least one shell (8, 9), in which fuel is injected through fuel nozzles (6) into a combustion air flow (23) which flows in the interior space (22), the resulting fuel/air mixture, within a delay time (τ), flows towards a flame front (3) into a combustion chamber (2), and ignites there, wherein the burner (1) is a double-cone burner, in which the burner (1) is formed from at least two hollow partial cone bodies (8, 9), which are positioned one upon the other and which in the flow direction have an increasing cone inclination, and which partial cone bodies (8, 9) are arranged in an offset manner in relation to each other, so that the combustion air (23) flows into the interior space (22) through a gap (7) between the partial cone bodies (8, 9), wherein
the fuel is injected by means of fuel nozzles (6), which are distributed over the entire length of the burner and arranged on the cone surfaces of the partial cone bodies (8, 9) on lines (20) which feed a defined region of the flame front, in such a way that the delay time (τ) between injection of the fuel and its combustion in the flame front (3) for the different fuel nozzles corresponds to a distribution (12) which systematically varies over the length of the burner, which avoids combustion-driven oscillations. - Method according to Claim 1, characterized in that the maximum time delay (τmax) between injection location (6) and flame front (3) is in the region of τmax= 5 - 50 ms.
- Method according to Claim 2, characterized in that at a flow velocity of the fuel/air mixture in the interior space in the region of 20 - 50 m/s, the maximum time delay (τmax) is in the region of τmax = 5 - 15 ms.
- Method according to one of the above claims, characterized in that the fuel is injected in such a way that the time delay distribution (12) over the length of the burner is designed in a way in which it basically linearly decreases towards the burner end (10) from the maximum value τmax by a maximum delay difference (Δτ) to a minimum value at the burner end (10) of Tmax - Δτ.
- Method according to Claim 4, characterized in that the delay difference (Δτ) is in the region of 10 - 90% of the maximum value (τmax), especially in the region of more than 50% of the maximum value (τmax).
- Burner (1) for implementing a method according to one of Claims 1 to 5, wherein the burner (1) comprises an interior space (22) which is enclosed by at least one shell (8, 9), in which fuel is injected by means of fuel nozzles (6), which are arranged along the entire length of the burner, into a combustion air flow (23) which flows in the interior space (22), the resulting fuel/air mixture within a time delay (τ) flows towards a flame front (3) into a combustion chamber (2), and ignites there, wherein the burner (1) is a double-cone burner, in which the burner (1) is formed from at least two hollow partial cone bodies (8, 9) which are positioned one upon the other and which are arranged in an offset manner in relation to each other, so that the combustion air (23) flows into the interior space (22) through a gap (7) between the partial cone bodies (8, 9), wherein the fuel nozzles are arranged on the cone surfaces of the partial cone bodies (8, 9) on lines (20) which feed a defined region of the flame front, characterized in that the partial cone bodies (8, 9) have an increasing cone inclination in the flow direction.
- Burner (1) according to Claim 6, characterized in that the fuel nozzles (6) are divided into groups, wherein one group of fuel nozzles (6) is arranged on a line (20) in each case in such a way that all the nozzles (6) of the group feed a defined region of the flame front (3) with a different time delay (τ).
- Burner (1) according to Claim 7, characterized in that the number of lines (20) is greater than the average number of fuel nozzles (6) of a group.
- Burner (1) according to Claim 8, characterized in that the burner has altogether 32 nozzles, which are divided into 8 groups on 8 lines (20) with 4 nozzles each.
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