EP1262714A1

EP1262714A1 - Brenner mit Abgasrückführung

Info

Publication number: EP1262714A1
Application number: EP02405345A
Authority: EP
Inventors: Klaus DÖBBELING; Bettina Paikert; Christian Oliver Paschereit
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2002-12-04
Also published as: US6672863B2; US20020187449A1

Abstract

Bei einem Vormischbrenner (1) für eine Gasturbine oder eine Heissgaserzeugung zur Verbrennung von flüssigem oder gasförmigen Brennstoff, bei welchem Brennstoff in einem Brennerinnenraum (14) mit Verbrennungsluft (9a,9b) vermischt, einer Brennkammer (3) zugeführt und in dieser Brennkammer (3) verbrannt wird, wird eine Stabilisierung im Teillastbetrieb in einfacher und effizienter Weise dadurch erreicht, dass Mittel (15) vorgesehen sind, welche es erlauben, heisses Abgas (17) aus der Brennkammer (3) in den Brennerinnenraum (14) zurückzuführen und die Flamme durch Selbstzündprozesse zu stabilisieren. Bevorzugt handelt es sich bei den Mitteln (15) um eine Rückführleitung, welche heisses Abgas (17) aus der äusseren Rückströmzone (10) abgreift und dem Brennerinnenraum (14) im Bereich einer der Brennkammer (3) abgewandten Brennerspitze (2) zuführt, wobei dem Abgas (17) in der Rückführleitung vor der Zufuhr zum Brennerinnenraum (14) zusätzlicher Brennstoff (Pilotbrennstoff 21) zugemischt wird. <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für eine Gasturbine oder eine Heissgaserzeugung zur Verbrennung von flüssigem oder gasförmigen Brennstoff, sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb.

STAND DER TECHNIK

Ein Hauptproblem, das im Rahmen der Entwicklung technischer Vormischbrenner zur Verwendung in Gasturbinen oder zur Heißgaserzeugung gelöst werden muss, ist die Stabilisierung der Flamme vor allem im Teillastbetrieb. Die meisten technischen Brenner dieses Typs benutzen eine Drallströmung zur Erzeugung einer Rückströmzone auf der Brennerachse. Die Flammenstabilisierung erfolgt bei diesen Brennern aerodynamisch, d. h. ohne speziellen Flammenhalter. Dabei werden die Rückströmzonen, die beim Aufplatzen des Wirbels (vortex break down) entstehen, beziehungsweise die äußeren Rezirkulationszonen genutzt. Heiße Abgase aus diesen Zonen zünden dabei das frische Brennstoff-Luft-Gemisch.

Ein Brenner nach dem Stand der Technik, bei welchem sich beispielsweise eine derartige Rückströmzone auf der Achse des Brenners ausbildet, ist in der EP 0 210 462 A1 beschrieben. Beim dort angegebenen Dualbrenner für eine Gasturbine wird der Drallkörper aus mindestens zwei mit tangentialem Lufteintritt beaufschlagten, doppelt gekrümmten Blechen gebildet, wobei die Bleche in Abströmungsrichtung nach aussen erweitert gefalzt sind. Beim Austritt in die Brennkammer bildet sich auf der Achse des Brenners infolge der zunehmenden Drallzahl in Strömungsrichtung eine Rückströmzone am stromabgelegenen Ende des Innenkegels. Die Geometrie des Brenners wird dabei so gewählt, dass die Wirbelströmung im Zentrum drallarm ist und einen axialen Geschwindigkeitsüberschuss aufweist. Die Zunahme der Drallzahl in axialer Richtung führt dann dazu, dass die Wirbelrückströmzone positionsstabil bleibt.

Weitere sogenannte Doppelkegelbrenner finden sich beispielsweise im Stand der Technik in der EP 0 321 809 B1 und in der EP 0 433 790 B1. Bei diesen Brennern mit in Strömungsrichtung sich öffnender Kegelform, bei welchen zwei aufeinander positionierte Teilkegelkörper vorhanden sind, deren Mittelachsen in Längsrichtung zueinander versetzt verlaufen, tritt Verbrennungsluft durch die infolge der Versetzung gebildeten tangentialem Eintrittsschlitze in den Innenraum des Brenners ein. Gleichzeitig wird beim Eintritt durch diese Schlitze der Verbrennungsluft Brennstoff beigemischt, wodurch sich ein kegelförmiger Brennstoff-Verbrennungsluft-Kegel ausbildet, und sich wiederum im Bereich der Brennermündung eine positionsstabile Rückströmzone ausbildet.

Bei derartigen Brennern wird eine Leistungsreduktion hauptsächlich über eine Reduktion des Brennstoffmassenstroms bei annähernd konstantem Luftmassenstrom realisiert. Das heisst mit anderen Worten, dass das Brennstoff-Luft-Gemisch bei abnehmender Leistung immer magerer geführt wird. Da nun aber moderne Vormischbrenner zur NOx-Minimierung bereits nahe bei der mageren Löschgrenze betrieben werden, müssen für den Teillastbetrieb andere Verbrennungskonzepte entwickelt werden, um ein Löschen oder instabiles Verhalten bei zunehmend magererem Brennstoff-Luft-Gemisch zu verhindern.

Im Stand der Technik bekannt als Verbrennungskonzepte für Teillastbetrieb sind beispielsweise sogenanntes Brenner-Staging, bei welchem einzelne Brenner gezielt abgeschaltet werden, so dass die restlichen Brenner bei Volllast betrieben werden können. Insbesondere bei Ringbrennkammern mit mehreren, zueinander versetzten Brennerringen von unterschiedlichem Radius kann dieses Konzept ziemlich erfolgreich eingesetzt werden.

Auf der anderen Seite wird der Übergang von Vormischverbrennung zu diffusionsflammenähnlicher Verbrennung vorgeschlagen, die bekanntermassen eine in Bezug auf die Temperatur niedrigere Löschgrenze hat. Es wird folglich eine doppelte, je nach Last angewendete Fahrweise von einzelnen Brennern, nämlich eine vormischartige und eine diffusionsartige vorgeschlagen, um ein Löschen im Teillastbetrieb zu verhindern. Problematisch daran ist aber die Tatsache, dass auf der einen Seite die Auslegung eines Brenners auf zwei verschiedene Betriebsarten aufwendig ist, und dass auf der anderen Seite die diffusionsartige Verbrennung meist in Bezug auf Emissionen nicht optimal geführt werden kann.

Aus EP 0 866 267 A1 ist die Mischung von Frischluft mit rückgeführtem Rauchgas in den spiegelbildlich tangential angeordneten Zuführungskanälen eines Doppelkegelbrenners bei atmosphärischer Verbrennung bekannt. Die mit dem rückgeführten Abgas angereicherte Verbrennungsluft bewirkt z. B. eine bessere Verdampfung des über eine zentrale Brennstoffdüse zugeführten flüssigen Brennstoffes innerhalb der durch die Länge des Vormischbrenners induzierten Vormischstrecke. Es kann damit zwar vorteilhaft eine Senkung der Schadstoffemissionen erreicht werden, für eine Stabilisierung des Brenners während der Startphase ist aber nachteilig eine mit dem Luftplenum in Wirkverbindung stehende Abblaseeinrichtung notwendig, durch deren Einsatz der Vordruck im Plenum abgesenkt, der Luftmassenstrom durch den Brenner reduziert und damit die Luftzahl verringert wird.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die objektive Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen Brenner für eine Gasturbine oder eine Heißgaserzeugung zur Verbrennung von flüssigem oder gasförmigen Brennstoff, bei welchem Brenner Brennstoff in einem Brennerinnenraum mit Verbrennungsluft vermischt, einer Brennkammer zugeführt und in dieser Brennkammer verbrannt wird, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Brenners, zur Verfügung zu stellen, welcher einen stabilen Teillastbetrieb ermöglicht.

Wie bereits oben erwähnt, können Doppelkegelbrenner aus dem Stand der Technik die oben genannte Aufgabe nicht lösen, da infolge der bereits im Volllastbetrieb mageren Fahrweise die Flamme im Teillastbetrieb instabil wird oder sogar auslöscht.

Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe, indem Mittel vorgesehen werden, die die Flamme im Teillastbetrieb stabilisieren können.

Gegenstand der Erfindung ist folglich ein Brenner der obengenannten Art, bei welchem Mittel vorgesehen sind, welche es erlauben, zur Stabilisierung im Teillastbetrieb heisses Abgas aus der Brennkammer in den Brennerinnenraum zurückzuführen.

Der Kern der Erfindung besteht somit darin, dass die heissen Abgase aus der Brennkammer dazu verwendet werden, das Strömungsverhalten im Brennerinnenraum und bei der Brennermündung insbesondere im Teillastbetrieb, d. h. bei magerer, leistungsreduzierter Fahrweise zur stabilisieren. Die dergestalte Rückführung von Abgasen erlaubt den Einsatz von derartigen Brennern bei Maschinen (insbesondere Maschinen mit Variable inlet guide vane assemblies, VIGV) in einem Lastbereich von 30-100%.

Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den Mitteln um eine Rückführleitung, welche weiterhin bevorzugt heisses Abgas an einer axialen Brennkammerwand bei neben der Brennermündung in die Brennkammer vorhandenen äußeren Rückströmzonen abgreift und dem Brennerinnenraum im Bereich einer der Brennkammer abgewandten Brennerspitze zuführt. Bei der derartigen Rückführung der heissen Abgase aus einer Rückströmzone geschieht diese Rückführung meist passiv, das heisst der Fluss von heissem Abgas in den Brennerinnenraum muss nicht getrieben werden.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Brenner wenigstens eine innere Rückströmzone aufweist. Bei einem derartigen Brenner führt die Rückführung der heissen Abgase dazu, dass eben diese innere, zentrale Rückströmzone auf der Achse des Brenners durch diese heissen Abgase stabilisiert wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich beim Brenner um einen Doppelkegelbrenner mit wenigstens zwei aufeinander positionierten Teilkegelkörpern mit einer in Strömungsrichtung zur Brennkammer sich öffnenden Kegelform, wobei die Mittelachsen dieser Teilkegelkörper in Längsrichtung zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass sich über die Länge des Brenners tangentiale Eintrittsschlitze zum Brennerinnenraum bilden, durch welche Eintrittsschlitze Verbrennungsluft bei gleichzeitiger Eindüsung von Brennstoff in den Brennerinnenraum unter Ausbildung einer kegelförmigen, drallbehafteten Brennstoffsäule eintritt, und anschliessend das Gemisch unter Ausbildung einer inneren Rückströmzone in die Brennkammer austritt und dort verbrennt. Insbesondere bei einem derartigen Doppelkegelbrenner lässt sich die Stabilisierung der Rückströmzone auf der Brennerachse effizient einsetzen. Dabei wird die innere, zentrale Rückströmzone besonders wirksam stabilisiert, wenn das heisse Abgas dem Brennerinnenraum zentral im Wirbelkern, das heisst im wesentlichen auf der Brennerachse, und ausserdem bevorzugt möglichst nahe bei der Brennerspitze, d. h. an der Stelle des Doppelkegelbrenners mit geringstem Durchmesser zugeführt wird. Die Rückführung der heissen Abgase kann dabei sogar aktiv so gestaltet werden, dass insbesondere im Teillastbetrieb eine innere Rückströmzone ganz oder teilweise verhindert wird.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden ausserdem Mittel vorgesehen, welche es erlauben, dem heissen, rückgeführten Abgas Brennstoff zuzumischen. In Kombination mit der erhöhten Temperatur der heissen Abgase führt diese Beimischung von Brennstoff dazu, dass ein selbstzündendes Gemisch dem Brennerinnenraum zugeführt wird. Weiterhin bevorzugt werden Brennstoffeindüsung, Abgastemperatur und Strömungsgeschwindigkeit derart aufeinander abgestimmt, dass in der Brennkammer eine Selbstzündung des Brennstoffs stattfindet.

Gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der rückgeführten heissen Abgasluft nicht nur Brennstoff, sondern zusätzlich auch noch Pilotluft beigemischt. Die Beimischung der Pilotluft kann dabei nach dem Injektionsprinzip, das heisst in den Abgasluftstrom treibender Weise erfolgen. Durch die zusätzliche Einführung von Pilotluft in den Abgasluftkanal kann unter Einsatz von wenig zusätzlicher Luft der Brenner im Teillastbetrieb optimal aktiv geregelt werden. Die meist kalte Pilotluft kann nämlich auf der einen Seite zur Einstellung der Temperatur der rückgeführten Abgasluft verwendet werden, auf der anderen Seite kann die Pilotluft aber auch dazu benützt werden, den Abgasluftstrom, d. h. die Strömungsgeschwindigkeit, zu erhöhen oder zu erniedrigen. Damit lässt sich mit Hilfe der Pilotluft die Selbstzündung, d. h. insbesondere der Selbstzündungsort des Gemisches aus heissem Abgas und Brennstoff im bzw. vor dem Brennerinnenraum in der Brennkammer genau einstellen, d. h. auf die Beeinflussung der Rückströmzonen optimieren.

Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners, wie er oben beschrieben ist. Dabei wird insbesondere die Abgasrückführung in Abhängigkeit der momentanen Leistungsstufe des Brenners zu- und abgeschaltet, und insbesondere bevorzugt die Rückführung von heissem Abgas im Teillastbetrieb angewendet. Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung des genannten Verfahrens wird dabei der Pilotluftstrom dazu verwendet, die Ausbildung der inneren Rückströmzone zu steuern, oder aber auch um die Rückführung der Abgasluft zu blockieren, sodass der Drall der Hauptluftströmung ausreicht, um ein Aufplatzen des Wirbels zu verursachen.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen des Brenners sowie des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: einen Doppelkegelbrenner in einem axialen Schnitt sowie die beim Betrieb auftretenden Rückströmzonen;
Fig. 2: einen Doppelkegelbrenner gem. Fig. 1 mit Abgasrückführung ;
Fig. 3: Selbstzündungszeit eines Brennstoff-Luft-Gemisches als Funktion der Temperatur;
Fig. 4: einen Doppelkegelbrenner gem. Fig. 2, bei welchem die zentrale Rückströmzone verhindert ist; und
Fig. 5: einen Doppelkegelbrenner gem. Fig. 4, bei welchem zusätzlich der heissen, rückgeführten Abgasluft Pilotluft zugeführt werden kann.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt einen Doppelkegelbrenner 1, gebildet aus zwei Teilkegelkörpern 6, deren Achsen derart gegeneinander versetzt sind, dass sich ein Schlitz 7 zwischen den Teilkegelkörpern 6 bildet. Durch diesen Schlitz 7 tritt Verbrennungsluft 9b tangential in den Brennerinnenraum 14 ein. Ausserdem wird dem Brennerinnenraum 14 von der Seite der Brennerspitze 2, bei welcher der Durchmesser des Brenners minimal ist, axiale Verbrennungsluft 9a zugeführt. Der tangentialen Verbrennungsluft 9b wird Brennstoff 8 beigemischt, sodass sich im Brennerinnenraum 14 ein konischer, drallbehafteter Kegel aus einem Brennstoff-Luft-Gemisch bildet. Ausser der Beimischung von Brennstoff beim Schlitz 7 zwischen den Teilkegelkörpern 6 kann dem Brennerinnenraum 14 auch noch axial, d. h. bei der Brennerspitze 2 insbesondere flüssiger Brennstoff über eine zentrale Düse zugeführt werden.

Beim Austritt dieses Kegels in die Brennkammer 3 bilden sich dabei verschiedene Rückströmzonen. Auf der einen Seite bilden sich sogenannte äussere Rückströmzonen 10 seitlich neben der Brennermündung, begrenzt einerseits durch die axiale Brennkammerwand 5 und andererseits durch die radiale Brennkammerwand 4. Die radiale Brennkammerwand 4 muss dabei aber nicht zwingend vorhanden sein, da auch mehrere Brenner 1 nebeneinander angeordnet sein können. Auf der Brennerachse 12 bildet sich infolge der in Richtung zur Brennkammer zunehmenden Drallzahl ausserdem eine innere Rückströmzone 11, welche beim Aufplatzen des Wirbels entsteht.

Ebenfalls in Fig. 1 dargestellt ist eine Grafik, welche die axiale Geschwindigkeitsverteilung 13 als Funktion der x-Koordinate entlang der Brennerachse 12 im Bereich der inneren Rückströmzone 11 visualisiert. Dabei ist erkennbar, dass an einem bestimmten Punkt vor der Brennermündung die axiale Geschwindigkeit des Gases den Nullpunkt durchschreitet und negativ wird, d. h. dass eben genau die Rückströmzone 11 entsteht. Beim Brenner gem. Fig. 1 handelt es sich um Brenner wie sie beispielsweise in den europäischen Patentanmeldungen EP 0 321 809 B1 und EP 0 433 790 B1 beschrieben werden.

Fig. 2 zeigt nun, wie erfindungsgemäss heisses Abgas 17 aus der Brennkammer 3, insbesondere bevorzugt aus den äußeren Rückströmzonen 10 an der axialen Brennkammerwand 5, über eine Rückführleitung 15 dem Brennerinnenraum 14 zugeführt wird. Der zentrale Eindüsungsabschnitt 16 der Rückführleitung 15 ist dabei vorteilhafter Weise auf der Brennerachse 12 angeordnet, sodass das heisse Abgas 17 im Wirbelkern des konischen, sich im Brennerinnenraum 14 ausbildenden Brennstoff-Verbrennungsluft-Kegels eingedüst wird. Auf diese Weise wird eine optimale Stabilisierung der inneren Rezirkulationszone 11 bewirkt. Der Fluss von zurückgeführtem Abgas bewegt sich dabei typischerweise im Bereich von 2 - 10%.

Wird das rückgeführte Abgas 17 zusätzlich mit Brennstoff (Pilotbrennstoff 21) versetzt, kann sich je nach Abgastemperatur T, Brennstoffkonzentration und Aufenthaltszeit ein selbstzündendes Gemisch bilden. Fig. 3 zeigt in diesem Zusammenhang die Selbstzündungszeit in ms eines Brennstoff-Luft-Gemisches bei einem Druck von 15 bar, bei λ= 2.7, und einem Sauerstoffgehalt von 15 Prozent als Funktion der Temperatur in Grad Celsius.

Bei einem wie oben beschriebenen Doppelkegelbrenner 1 (z.B. einem Brenner des Typs EV 17 der Anmelderin) treten typischerweise Nenngeschwindigkeiten von 30 m/s auf, wobei sich Aufenthaltszeiten von 2 bis 7 ms ergeben. Mit anderen Worten ergeben sich bei den typischen Temperaturen des rückgeführten heissen Abgase 17 von 700 bis 800 Grad Celsius derart kurze Selbstzündungszeiten, dass es zur Selbstzündung kommt, bevor das Gemisch den Brenner verlässt.

Fig. 4 zeigt nun einen Schnitt durch einen Doppelkegelbrenner, bei welchen das zurückgeführte heisse Abgas 17 den Wirbelkern derart stark beeinflusst, dass sich keine innere Rückströmzone 11 mehr ausbildet. Diese starke Beeinflussung kann dadurch stattfinden, dass entweder ein großer Fluss von heissem Abgas 17 in den Wirbelkern eingedüst wird, oder eben insbesondere indem dem heissen Abgas 17 zusätzlicher Brennstoff 21 beigemischt wird. Es handelt sich dabei gewissermassen um einen Brenner mit aktiver Abgasrückführung. Wiederum werden ca. 2 - 10% des Abgases zurückgeführt. Um den Selbstzündungsort des Gemisches aus heissem Abgas 17 und Brennstoff im Wirbelkern an den richtigen Ort zu bringen, d. h. um eine Rückströmzone insbesondere für den Teillastbetrieb zu verhindern, müssen Strömungsgeschwindigkeit und Abgastemperatur genau aufeinander abgestimmt werden. Wird die Rückströmzone im Bereich der Zone 18 verhindert, stellt sich eine axiale Geschwindigkeitsverteilung 19, wie sie im unteren Teil der Fig. 4 dargestellt ist, ein. Die Geschwindigkeit des auf der Brennerachse 12 strömenden Luftstromes erfährt in der Zone 18 zwar immer noch eine Reduktion in der Geschwindigkeit v, es findet aber keine Nulldurchgang mehr statt, es treten keine negativen Geschwindigkeiten auf, das heisst eine Rückströmzone bleibt aus.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem nicht nur zusätzlicher Brennstoff 21 den heissen Abgasen 17 beigemischt wird, sondern bei welchem zusätzlich Pilotluft 20 zur Steuerung des heissen Abgasstromes 17 eingesetzt wird. Die Pilotluft 20 kann im Prinzip an einer beliebigen Stelle in der Rückführleitung 15 dem heissen Abgas 17 beigemischt werden. Bevorzugt findet die Eindüsung aber zur genügenden Mischung von Pilotluft und Abgasluft mindestens 10 Rohrdurchmesser stromauf der Eindüsungsstelle. Die Führung der Pilotluft 20 kann dabei vorteilhafter Weise nach dem Injektorprinzip ausgestaltet werden, d. h. so, dass mit der Pilotluft 20 die Strömungsgeschwindigkeit der heissen Abgase 17 getrieben werden kann. Alternativ kann die Führung der Pilotluft 20 so ausgelegt werden, dass der rückgeführte Abgasstrom 17 blockiert werden kann, und der Drall der Hauptluftströmung ausreicht, um das Aufplatzen des Wirbels zu verursachen. Wird die Pilotluft 20 bei dieser Anordnung abgeschaltet, erfolgt die Stabilisierung wieder über den Selbstzündungsprozess.

Der Pilotluftstrom 20 erlaubt es, unter Verwendung von vergleichsweise wenig zusätzlicher Luft, zum einen die Temperatur des rückgeführten Abgases 17 und damit die Selbstzündzeit einzustellen, als auch die Ausbildung der inneren Rezirkulationszone zur steuern. Typischweise werden über die Rückführung (Pilot- und Abgasluft) weniger als 10% der Gesamtbrennerluft zugeführt.

Die Rückführung von heißem Abgas in den Brennerinnenraum zur Stabilisierung im Teillastbetrieb kann auch bei anderen Brennern angewendet werden, beispielsweise bei Brennern des Typs AEV der Anmelderin, bei welchen stromab des Drallerzeugers in Form des Doppelkegels, eine Mischstrecke in Form eines Rohres angeordnet ist (vgl. zum Beispiel die EP 0 780 629 A2). Diese Brenner bestehen allgemein gesagt aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom, welcher Drallerzeuger in Form eines Doppelkegels oder aber auch in Form eines axialen oder radialen Drallerzeugers vorliegen kann, und aus Mitteln zu Eindüsung eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom. Außerdem sind sie dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet ist, welche innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle zur Überführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in ein stromab der Übergangskanäle nachgestaltetes Rohr aufweist, wobei die Austrittebene dieses Rohres zur Brennkammer mit einer Abrisskante zur Stabilisierung und Vergrößerung einer sich stromab bildenden Rückströmzone ausgebildet ist. Auch bei diesen Brennern bildet sich hinter der Abrisskante eine stabile innere sowie äußere Rückströmzonen in der Brennkammer.

Die Rückführung der heißen Abgase zur Stabilisierung im Teillastbetrieb findet auch hier aus der Brennkammer hinaus, insbesondere bevorzugt neben der Brennermündung abgegriffen, über eine Rückführleitung statt, welche die heißen Abgase ggf. unter Beimischung von Pilotluft und/oder Brennstoff vorzugsweise axial mittig in die Brennerspitze, das heißt in diesem Falle ins Zentrum des der Brennkammer abgewandten Endes des Drallerzeugers eindüst.

Das neue Verfahren der Abgasrückführung kann auch bei einem Brenner, wie er beispielsweise in der DE 19640198 A1 beschrieben ist, Anwendung finden. Der vor dem Mischrohr angeordnete Drallerzeuger ist bei einem derartigen Brenner zylindrisch ausgestaltet, weist aber in seinem Innenraum einen in Strömungsrichtung verlaufenden kegelförmigen Innenkörper auf. Die äußere Ummantelung des Innenraumes ist durch tangential angeordnete Lufteintrittskanäle durchbrochen, durch welche ein Verbrennungsluftstrom in den Innenraum strömt. Der Brennstoff wird dabei über eine zentrale, an der Spitze des Innenkörpers angeordnete Brennstoffdüse eingedüst. Auch bei einem derartigen Brenner bildet sich hinter der Abrisskante eine stabile innere sowie äußere Rückströmzonen in der Brennkammer.

Zur Stabilisierung im Teillastbetrieb findet die Rückführung der heißen Abgase auch hier aus der Brennkammer hinaus, wiederum bevorzugt neben der Brennermündung abgegriffen, über eine Rückführleitung statt, welche die heißen Abgase ggf. unter Beimischung von Pilotluft und/oder Brennstoff vorzugsweise axial mittig eindüst. Axial mittig heißt in diesem Fall, dass die Eindüsung vorzugsweise bei der Spitze des in Strömungsrichtung zulaufenden Innenkörpers ins Drallzentrum, das heißt in der Region der Brennstoffeindüsung, stattfindet.

BEZEICHNUNGSLISTE

1: Doppelkegelbrenner
2: Brennerspitze
3: Brennkammer
4: Brennkammerwand (radial)
5: Brennkammerwand (axial)
6: Teilkegelkörper
7: Eintrittsschlitz zwischen Teilkegelkörpern
8: am Spalt eingedüster Brennstoff
9a: axial eintretender Verbrennungsluftstrom
9b: tangential eintretender Verbrennungsluftstrom
10: äussere Rezirkulationszone
11: innere Rezirkulationszone
12: Brennerachse
13: Geschwindigkeitsverteilung in axialer Richtung
14: Brennerinnenraum
15: Rückführleitung
16: zentraler Eindüsungsabschnitt
17: rückgeführtes heisses Abgas
18: Zone mit Abgasrezirkulation und Selbstzündung
19: axiale Geschwindigkeitsverteilung
20: Pilotluft
21: zusätzlicher Brennstoff (Pilotbrennstoff)
v: axiale Geschwindigkeit
x: axiale Richtung
t: Selbstzündungszeit
T: Gastemperatur

Claims

Vormischbrenner (1) für eine Gasturbine oder eine Heissgaserzeugung zur Verbrennung von flüssigem oder gasförmigen Brennstoff, bei welchem Brennstoff in einem Brennerinnenraum (14) mit Verbrennungsluft (9a,9b) vermischt, einer Brennkammer (3) zugeführt und in dieser Brennkammer (3) verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel (15) vorgesehen sind, welche es erlauben, zur Stabilisierung im Teillastbetrieb heisses Abgas (17) aus der Brennkammer (3) in den Brennerinnenraum (14) zurückzuführen.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mitteln (15) um eine Rückführleitung handelt, welche insbesondere bevorzugt heisses Abgas an einer axialen Brennkammerwand (5) bei neben der Brennermündung in die Brennkammer (3) vorhandenen äusseren Rückströmzonen (10) abgreift und dem Brennerinnenraum (14) im Bereich einer der Brennkammer (3) abgewandten Brennerspitze (2) zuführt.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (1) eine innere Rückströmzone (11) aufweist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Brenner ohne Vormischstrecke handelt.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Brenner (1) um einen Doppelkegelbrenner mit wenigstens zwei aufeinander positionierten Teilkegelkörpern mit einer in Strömungsrichtung zur Brennkammer (3) sich öffnenden Kegelform handelt, wobei die Mittelachsen dieser Teilkegelkörper in Längsrichtung zueinander versetzt verlaufen, dergestalt, dass sich über die Länge des Brenners tangentiale Eintrittsschlitze (7) zum Brennerinnenraum (14) bilden, durch welche Eintrittsschlitze (7) Verbrennungsluft (9b) bei gleichzeitiger Eindüsung von Brennstoff (8) in den Brennerinnenraum (14) unter Ausbildung einer kegelförmigen, drallbehafteten Brennstoffsäule eintritt, und anschliessend das Gemisch unter Ausbildung einer inneren Rückströmzone (11) in die Brennkammer (3) austritt und dort verbrennt.
Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Brennstoff auf der der Brennkammer (3) abgewandten, verjüngten Seite der Teilkegelkörper bei der Brennerspitze (2) zentral eingedüst wird.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestehend aus einem Drallerzeuger, insbesondere in Form eines Doppelkegels, für einen Verbrennungsluftstrom und aus Mitteln zur Eindüsung eines Brennstoffes in den Verbrennungsluftstrom, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass stromab des Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet ist, welche innerhalb eines ersten Streckenteils in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle zur Überführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in ein stromab der Übergangskanäle nachgestaltetes Rohr aufweist, wobei die Austrittebene dieses Rohres zur Brennkammer mit einer Abrisskante zur Stabilisierung und Vergrößerung einer sich stromab bildenden Rückströmzone ausgebildet ist.
Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger zylindrisch ausgestaltet ist und in seinem Innenraum einen in Strömungsrichtung verlaufenden kegelförmigen Innenkörper aufweist, wobei die äußere Ummantelung des Innenraumes durch tangential angeordnete Lufteintrittskanäle durchbrochen ist, durch welche ein Verbrennungsluftstrom in den Innenraum strömt und Brennstoff über eine zentrale, an der Spitze des Innenkörpers angeordnete Brennstoffdüse eingedüst wird.
Brenner nach einem der Ansprüche 2 und 5,6,7, oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das heisse Abgas (17) dem Brennerinnenraum (14) zentral im Wirbelkern, im wesentlichen auf der Brennerachse (12) zugeführt wird.
Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung (15) insbesondere im Teillastbetrieb zu einer Stabilisierung der inneren Rückströmzone (11) führt.
Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung (15) insbesondere im Teillastbetrieb zu einer Verhinderung der inneren Rückströmzone (11) führt.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Mittel vorgesehen sind, welche es erlauben, dem heissen, rückgeführten Abgas (17) zusätzlichen Brennstoff (Pilotbrennstoff 21) zuzumischen.
Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffeindüsung, Abgastemperatur (T) und Strömungsgeschwindigkeit (v) derart aufeinander abgestimmt werden können, dass Selbstzündung des Brennstoffs in der Brennkammer (3) eintritt.
Brenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem heissen Abgas Pilotluft (19) beigemischt werden kann, und dass insbesondere diese Beimischung insbesondere bevorzugt nach dem Injektionsprinzip erfolgt.
Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beimischung von Pilotluft (20) zur Einstellung des Optimums in Bezug auf Brennstoffeindüsung, Abgastemperatur (T), Strömungsgeschwindigkeit (v), und damit des Selbstzündungsortes in der Brennkammer (3) hinzugezogen werden kann.
Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung (15) je nach momentaner Leistungsstufe des Brenners zu- und abgeschaltet wird, und dass insbesondere bevorzugt die Rückführung von heissem Abgas (17) im Teillastbetrieb angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 16 bei einem Brenner nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotluftstrom (20) dazu verwendet wird, die Ausbildung der inneren Rückführungszone (11) zu steuern, und dass insbesondere die Pilotluft (20) zur Blockierung der Abgasluft (17) eingesetzt werden kann, sodass der Drall der Hauptluftströmung ausreicht, um ein Aufplatzen des Wirbels zu verursachen.