EP1336800A1 - Verfahren zur Verminderung verbrennungsgetriebener Schwingungen in Verbrennungssystemen sowie Vormischbrenner zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Verminderung verbrennungsgetriebener Schwingungen in Verbrennungssystemen sowie Vormischbrenner zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP1336800A1
EP1336800A1 EP03405031A EP03405031A EP1336800A1 EP 1336800 A1 EP1336800 A1 EP 1336800A1 EP 03405031 A EP03405031 A EP 03405031A EP 03405031 A EP03405031 A EP 03405031A EP 1336800 A1 EP1336800 A1 EP 1336800A1
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EP
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burner
lance
fuel
flow
combustion
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Ephraim Gutmark
Christian Oliver Paschereit
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General Electric Technology GmbH
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Alstom Technology AG
Alstom Schweiz AG
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    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing combustion-driven Vibrations in combustion systems, especially those with low acoustic damping, as used in combustion chambers of turbo engines are often found, as well as a premix burner for performing the process.
  • thermoacoustic vibrations often occur in the combustion chambers, which arise at the burner as fluid-mechanical instability waves and lead to flow vortices that strongly influence the entire combustion process and lead to undesired periodic heat releases within the combustion chamber. This results in pressure fluctuations of high amplitude, which can lead to undesired effects, such as a high mechanical load on the combustion chamber housing, an increased NO x emission due to inhomogeneous combustion or even an extinguishing of the flame within the combustion chamber.
  • Thermoacoustic vibrations are based, at least in part, on flow instabilities the burner flow, which is expressed in coherent flow structures, and that affect the mixing processes between air and fuel.
  • thermoacoustic vibrations to counteract, for example with the help of a cooling air film that over the combustion chamber walls is passed, or by an acoustic coupling so-called Helmholtz dampers in the area of the combustion chamber or in the area of the cooling air supply.
  • thermoacoustic vibration amplitudes is associated with the disadvantage that the injection of fuel at the head stage is accompanied by an increase in the emission of NO x .
  • thermoacoustic vibrations have shown that flow instabilities often lead to these instabilities.
  • Shear layers that initiate waves perpendicular to the direction of flow Kervin-Helmholtz-waves.
  • These instabilities on shear layers in combination with the ongoing combustion process are primarily responsible for those of reaction rate fluctuations triggered thermoacoustic oscillations.
  • This largely coherent waves lead to a burner of the aforementioned type typical operating conditions to vibrate with frequencies in the area around 100 Hz. Since this frequency with typical fundamental eigenmodes of many Ring burners in gas turbine systems collapse, constitute the thermoacoustic Oscillations are a problem.
  • Premixed flames need low speed zones to stabilize to become.
  • Backflow zones which either serve to stabilize the flame by the trail behind sturgeon bodies or by aerodynamic methods (vortex breakdown).
  • the stability of the backflow zone is another criterion for the stability of the combustion and the avoidance of thermoacoustic Instabilities.
  • the invention has for its object a method for reducing combustion-driven thermoacoustic vibrations in combustion systems, in particular to provide those with low acoustic attenuation, the formation of coherent flow instabilities at the burner outlet largely prevented, as well as a premix burner to carry out the process create, which can be created with little equipment.
  • the object is achieved by a method and a premix burner of the type mentioned in the independent claims.
  • the flow-technical stabilization of the backflow zone takes place according to the invention by providing the central fuel nozzle in the form of a burner lance, such as it is usually used for pilot gas supply, the burner lance one Length, which is at least one third of the side of the burner head axial burner length protrudes into the burner downstream.
  • the burner lance is 60 - 80% of the axial length of the burner and is arranged in the center of the burner axis.
  • the fuel is advantageously discharged through at least one at the end of the lance attached fuel nozzle opening such that the in the interior the fuel discharged from the burner is mixed with the supply air and is swirled at the same time. This is done in particular by the wake at the end of the lance further stabilization of the aerodynamically generated backflow zone.
  • Position inside and out of the burner periodically The flame forming within the backflow zone runs into the Burner prevented. Due to the proximity of the fuel discharge to itself within The backflow zone forming the combustion chamber can be the same vortex breakdown due to the swirling fuel / air mixture that spreads in the direction of flow are supported, creating the backflow zone and associated with it the flame can be stabilized decisively.
  • lance shapes can influence the formation of coherent structures.
  • a number of preferred lance configurations will be presented in the following. These configurations have in common that the development of coherent structures is additionally inhibited by fanning out the vortex movement.
  • the lance is equipped with means which allow two fluid media to be supplied independently of one another. Such a design allows additional air to be introduced into the interior of the burner in addition to fuel injection. The combustion chamber vibrations can thus also be counteracted by a known modulated supply of this additional air.
  • the measure according to the invention bears one arranged along the jacket partial fuel injection via the inserted into the interior central fuel lance to stabilize itself within the backflow zone forming flame.
  • a premix burner 1 is shown in longitudinal section in FIG. 1, as is shown in its basic structure, for example, from EP 0 321 809.
  • the premix burner 1 consists of two half-shell-shaped, conically widening partial bodies 1a and 1b which are arranged such that they are axially parallel and offset from one another in such a way that they form tangential gaps in two overlapping regions lying opposite one another in mirror image.
  • the gaps resulting from the displacement of the longitudinal axes of the partial bodies 1a and 1b serve as inlet channels through which the combustion air 7 flows tangentially into the burner interior 2 during burner operation.
  • Inlet channels there are injection openings through which a preferably gaseous fuel 8 is injected into the combustion air 7 flowing past.
  • this aforementioned type of burner in a central arrangement in the starting area of the burner interior 2 has a nozzle for introducing further, preferably liquid, fuel.
  • combustion air 7 and fuel 8 cross the burner interior 2 with intensive mixing.
  • the swirl flow 6 breaks down with the formation of a return flow zone 5 with a stabilizing effect with respect to the flame front acting there.
  • Further details of the structure and mode of operation of this burner 1 can be found in the aforementioned EP document and other information sources known to the person skilled in the art.
  • a burner lance 3 projects into the burner interior 2 parallel to the burner axis.
  • the lance 3, which has a length I, which is preferably in the range of approximately 2/3 of the axial extent of the burner 1, has a centrally arranged one Fuel channel 31, which ends downstream at the lance end in a fuel nozzle 32.
  • FIG. 2 shows a diagram that shows the effect of the invention trained burner lance 3 on the suppression of instabilities in The form of pressure oscillation in the 120 Hz range is illustrated.
  • the pulsations that come in Pressure values (Pa) along the ordinate in Figure 2 are a function the position of the lance end in the burner 1.
  • the ratio I / L is plotted, i.e. the ratio of the length of the burner lance 3 to total axial extension L of the burner.
  • the different functional curves shown in the diagram correspond to the following measurement conditions, as can be seen from the legend in FIG. 2:
  • the continuous, horizontally drawn line corresponds to the base line, according to which burner systems known per se oscillate under specified operating conditions without the provision of the lance designed according to the invention.
  • the functional sequence interspersed with squares reflects the vibration behavior of a burner in premix mode, in which only the central burner lance is provided, but through which no fuel is introduced into the burner.
  • the line interspersed with the filled diamonds represents the operation using a burner lance 3 designed according to the invention, in which 2 kg of fuel discharge per hour was selected as fuel addition by the burner lance 3.
  • the dotted line interspersed with triangles shows a case using the burner lance 3 designed according to the invention, as it were the line interspersed with the diamonds, but with a fuel addition of 5 kg per hour.
  • FIGS. 5-8 show different interfering body geometries according to which the lance end is to be designed. Depending on the interfering body geometries shown in these figures, the characteristic curves shown in FIG. 3 can be obtained to show the mode of action of the suppression of instabilities.
  • the diagram shown in FIG. 3 is comparable to that in FIG. 2.
  • the conical burner lance has been shown to be of all the fault geometries examined (Fig. 7) as particularly suitable for suppressing instabilities (see here the dashed line interspersed with upside down triangles in Fig. 3).
  • FIG. 4 shows the evaluation of the individual interference geometries in relation to the nitrogen oxide emission shown. This proves that with a variety of fuel outlet openings penetrated burner lance as particularly advantageous, which in FIG is shown.
  • the interference geometry shown in Figure 5 as well as that in the following figures The geometries shown can be used, for example, as screw attachments formed a thread that are screwed into the burner head and in particular can be easily replaced for test purposes.
  • the burner lance 3 shown in FIG. 5 is equipped with a large number of fuel outlet openings 9 passing laterally through the jacket. Axial fanning out of the fuel injection ensures homogeneous mixing of the fuel and combustion air.
  • the injection is preferably carried out in the region of the second lance half, as seen in the direction of flow.
  • FIG. 6 shows a star-shaped lance end geometry
  • FIG. 7 shows a conical lance end geometry, the fuel being discharged from the lance 3 through axially aligned outlet openings 12, 32, as it were the lance geometry in FIG. 8, which shows a burner lance to which a plate 13 is attached ,
  • the disturbance geometries as described above with reference to FIG. 3, are capable of the premix flow decisively influence.

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur kontrollierten Dämpfung verbrennungsgetriebener Schwingungen in einer Strömungskraftmaschinen mit einem Brennersystem, das wenigstens einen Brenner vorsieht, in den über wenigstens eine zentral im Brenner angeordnete Brennerdüse Brennstoff eingebracht wird, der mit in den Brenner einströmenden Verbrennungszuluft zu einem Brennstoff/Luftgemisch vermischt wird, das in einer, sich an das Brennersystem anschließenden Brennkammer zur Zündung gebracht wird.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Brennstoffdüse in Form einer Brennerlanze ausgebildet ist, an deren Lanzenende ein Brennstoffaustrag in den Brenner erfolgt, und dass die Brennerlanze wenigstens zu einem Drittel der axialen Brennerlänge in den Brenner hineinragt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung verbrennungsgetriebener Schwingungen in Verbrennungssystemen, insbesondere solchen mit geringer akustischer Dämpfung, wie sie in Brennkammern von Strömungskraftmaschinen häufig anzutreffen sind, sowie einen Vormischbrenner zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Beim Betrieb von Strömungskraftmaschinen, wie beispielsweise Gasturbinenanlagen, treten in den Brennkammern häufig verbrennungsgetriebene thermoakustische Schwingungen auf, die am Brenner als strömungsmechanische Instabilitätswellen entstehen und zu Strömungswirbeln führen, die den gesamten Verbrennungsvorgang stark beeinflussen und zu unerwünschten periodischen Wärmefreisetzungen innerhalb der Brennkammer führen. Daraus resultieren Druckschwankungen hoher Amplitude, die zu unerwünschten Effekten, wie zu einer hohen mechanischen Belastung des Brennkammergehäuses, einer erhöhten NOx-Emission durch eine inhomogene Verbrennung oder sogar zu einem Erlöschen der Flamme innerhalb der Brennkammer führen können.
Thermoakustische Schwingungen beruhen zumindest teilweise auf Strömungsinstabilitäten der Brennerströmung, die sich in kohärenten Strömungsstrukturen äußern, und die die Mischungsvorgänge zwischen Luft und Brennstoff beeinflussen.
Es sind mittlerweile eine Reihe von Techniken bekannt thermoakustischen Schwingungen entgegenzutreten, bspw. mit Hilfe eines Kühlluftfilmes, der über die Brennkammerwände geleitet wird, oder durch eine akustische Ankopplung sogenannter Helmholtz-Dämpfer im Bereich der Brennkammer oder im Bereich der Kühlluftzufuhr.
Ferner ist bekannt, dass den im Brenner auftretenden Verbrennungsinstabilitäten dadurch entgegengetreten werden kann, indem die Brennstoffflamme durch zusätzliche Eindüsung von Brennstoff stabilisiert wird. Eine derartige Eindüsung von zusätzlichem Brennstoff erfolgt über die Kopfstufe des Brenners, in der eine auf der Brennerachse liegende Düse für die Pilot-Brennstoffgaszuführung vorgesehen ist, was jedoch zu einer Anfettung der zentralen Flammstabilisierungszone führt. Diese Methode der Verminderung von thermoakustischen Schwingungsamplituden ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass die Eindüsung von Brennstoff an der Kopfstufe mit einer Erhöhung der Emission von NOx einhergeht.
Untersuchungen zur Ausbildung thermoakustischer Schwingungen haben gezeigt, dass oftmals Strömungsinstabilitäten zu diesen Instabilitäten führen. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die sich zwischen zwei mischenden Strömungen ausbildenden Scherschichten, die senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufende Wellen initiieren (Kevin-Helmholtz-Wellen). Diese Instabilitäten auf Scherschichten in Kombination mit dem ablaufenden Verbrennungsprozess sind hauptverantwortlich für die von Reaktionsratenschwankungen ausgelösten thermoakustischen Oszillationen. Diese weitgehend kohärenten Wellen führen bei einem Brenner der vorgenannten Art unter typischen Betriebsbedingungen zu Schwingungen mit Frequenzen im Bereich um 100 Hz. Da diese Frequenz mit typischen fundamentalen Eigenmoden von vielen Ringbrennern in Gasturbinenanlagen zusammenfallen, stellen die thermoakusitschne Oszillationen ein Problem dar. Nähere Ausführungen hierzu sind folgenden Druckschriften zu entnehmen: Oster & Wygnanski 1982, "The forced mixing layer between parallel streams", Journal of Fluid mechanics, Vol. 123, 91-130; Paschereit et al. 1995, "Experimental investigation of subharmonic resonance in an axisymmetric jet", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 283, 365-407; Paschereit et al., 1998, "Structure and Control of Thermoacoustic Instabilities in a Gas-turbine Burner", Combustion, Science & Technology, Vol. 138, 213-232).
Wie aus den vorstehenden Veröffentlichungen zu entnehmen ist, ist es möglich, die sich innerhalb der Scherschichten ausbildenden kohärenten Strukturen durch gezieltes Einbringen einer akustischen Anregung derart zu beeinflussen, dass die Ausbildung solcher Wirbel weitgehend verhindert wird. Damit werden Schwankungen in der Wärmefreisetzung unterbunden und die Druckschwankungen reduziert.
Vorgemischte Flammen benötigen Zonen geringer Geschwindigkeit, um stabilisiert zu werden. Zur Stabilisierung der Flamme dienen Rückströmzonen, die entweder durch den Nachlauf hinter Störkörpern oder durch aerodynamische Methoden (vortex breakdown) erzeugt werden. Die Stabilität der Rückströmzone ist ein weiteres Kriterium für die Stabilität der Verbrennung und der Vermeidung von thermoakustischen Instabilitäten.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verminderung verbrennungsgetriebener thermoakustischer Schwingungen in Verbrennungssystemen, insbesondere solchen mit einer geringen akustischen Dämpfung, bereitzustellen, das die Ausbildung kohärenter Strömungsinstabilitäten am Brenneraustritt weitgehend verhindert, sowie einen Vormischbrenner zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, welcher mit geringem apparativen Aufwand zu erstellen ist.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch ein Verfahren und einen Vormischbrenner der in den unabhängigen Ansprüchen genannten Art gelöst.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Ausgehend von einem Verbrennungssystem, das bspw. einen Vormischbrenner der gemäss EP 0 321 809 B1 geschützten Bauart umfasst, besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, die sich innerhalb der stromab des Brenneraustritts ausbildende zentrale Rückströmzone, innerhalb der sich das Brennstoff-/Luftgemisch entzündet, zu stabilisieren. Durch die Stabilisierung der Rückströmzone sowie die Verminderung der Ausbildung kohärenter Wirbelstrukturen am Brenneraustritt werden die das Auftreten thermoakustischer Schwingungen verursachenden periodischen Wärmefreisetzungen innerhalb der Brennkammer weitgehend unterbunden.
Die strömungstechnische Stabilisierung der Rückströmzone erfolgt erfindungsgemäß durch das Vorsehen der zentralen Brennstoffdüse in Form einer Brennerlanze, wie sie üblicherweise zur Pilotgaszufuhr verwendet wird, wobei die Brennerlanze eine Länge aufweist, die von Seiten des Brennerkopfes wenigstens zu einem Drittel der axialen Brennerlänge in den Brenner stromab hineinragt. Vorzugsweise weist die Brennerlanze eine Länge von 60 - 80 % der axialen Erstreckung des Brenners auf und ist mittig zur Brennerachse angeordnet.
In vorteilhafter Weise erfolgt der Brennstoffaustrag durch wenigstens eine am Lanzenende angebrachte Brennstoffdüsenöffnung derart, dass sich der in dem Innenraum des Brenners ausgetragene Brennstoff feinstverteilt mit Zuluft mischt und zugleich verwirbelt wird. Insbesondere erfolgt durch den Nachlauf am Lanzenende eine weitere Stabilisierung der aerodynamisch erzeugten Rückströmzone. Insbesondere wird durch den erfindungsgemäßen Brennstoffeintrag in einer stromab verlagerten Position innerhalb des Brennerinnenraums ein periodisches Hinaus- und wieder Hineinlaufen der sich innerhalb der Rückströmzone ausbildenden Flamme in den Brenner verhindert. Durch die räumliche Nähe des Brennstoffaustrages zur sich innerhalb der Brennkammer ausbildenden Rückströmzone kann eben jener Wirbelzusammenbruch durch das sich in Strömungsrichtung ausbreitende, verwirbelte Brennstoff-/Luftgemisch unterstützt werden, wodurch die Rückströmzone und damit verbunden die Flamme entscheidend stabilisiert werden.
Ferner ist erkannt worden, dass durch unterschiedliche Lanzenformen die Entstehung kohärenter Strukturen beeinflusst werden kann. In den nachfolgenden Ausführungen wird eine Reihe bevorzugter Lanzenkonfigurationen vorgestellt werden. Diesen Konfigurationen ist gemein, durch eine Auffächerung der Wirbelbewegung die Entstehung kohärenter Strukturen zusätzlich zu hemmen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Lanze mit Mitteln ausgerüstet, die eine voneinander unabhängige Zuführung zweier fluider Medien gestatten. Eine solche Gestaltung erlaubt es, neben einer Brennstoffeindüsung noch Zusatzluft in den Brennerinnenraum einzuführen. Durch eine an sich bekannte modulierte Zuführung dieser Zusatzluft kann den Brennkammerschwingungen damit zusätzlich entgegengewirkt werden.
Insbesondere bei einer Betriebsweise des Vormischbrenners mit Brennstoffzuführung in die tangential in den Brennerinnenraum eintretende Verbrennungsluft über längs des Mantels angeordnete Düsen, trägt die erfindungsgemäße Massnahme einer teilweisen Brennstoffeindüsung über die in den Innenraum hineingeschobene zentrale Brennstofflanze zur Stabilisierung der sich innerhalb der Rückströmzone ausbildenden Flamme bei.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Erfindung sei nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1
schematisierter Längsschnitt durch einen kegelförmig ausgebildeten Brenner mit verlängerter Brennerlanze,
Fig. 2
Diagrammdarstellung zur Abhängigkeit der Länge der Brennerlanze auf das akustische Dämpfungsverhalten,
Fig. 3
Diagrammdarstellung zur Abhängigkeit der Länge der Brennerlanze auf das akustische Dämpfungsverhalten im Hinblick auf unterschiedliche Lanzenkonfigurationen,
Fig. 4
Diagrammdarstellung der Abhängigkeit der Länge der Brennerlanze auf die NOx-Emissionen im Hinblick auf unterschiedliche Lanzenkonfigurationen,
Fig. 5-8
unterschiedliche Brennerlanzenkonfigurationen.
In Figur 1 ist im Längsschnitt ein Vormischbrenner 1 dargestellt, wie er in seinem Grundaufbau beispielweise aus der EP 0 321 809 hervorgeht. Der Vormischbrenner 1 besteht aus zwei halbschalenförmigen, sich konisch erweiternden Teilkörpern 1a und 1b, die derart achsparallel und zueinander versetzt angeordnet sind, dass sie in zwei spiegelbildlich gegenüberliegenden Überlappungsbereichen tangentiale Spalte bilden. Die aus der Versetzung der Längsachsen der Teilkörper 1a und 1b resultierenden Spalte dienen als Eintrittskanäle, durch die im Brennerbetrieb die Verbrennungsluft 7 tangential in den Brennerinnenraum 2 einströmt. Entlang diesen Eintrittskanälen befinden sich Eindüsungsöffnungen, durch welche ein vorzugsweise gasförmiger Brennstoff 8 in die vorbeiströmende Verbrennungsluft 7 eingedüst wird. Neben dieser Brennstoffeindüsung 8 am Brennermantel besitzt diese vorgenannte Brennergattung in zentraler Anordnung im Anfangsbereich des Brennerinnenraums 2 eine Düse zur Einführung weiteren, vorzugsweise flüssigen Brennstoffs. Unter Ausbildung einer Drallströmung 6 durchqueren Verbrennungsluft 7 und Brennstoff 8 unter intensiver Durchmischung den Brennerinnenraum 2. Am Brenneraustritt bricht die Drallströmung 6 unter Ausbildung einer Rückstromzone 5 mit einem gegenüber der dort wirkenden Flammenfront stabilisierenden Effekt zusammen. Weitere Einzelheiten des Aufbaus und der Wirkungsweise dieses Brenners 1 sind der vorgenannten EP-Schrift und anderen dem Fachmann bekannten Informationsquellen zu entnehmen.
Erfindungsgemäss ragt in Verlängerung der erwähnten zentralen Brennstoffdüse eine Brennerlanze 3 parallel zur Brennerachse in den Brennerinnenraum 2. Die Lanze 3, die eine Länge I aufweist, die vorzugsweise im Bereich von etwa 2/3 der axialen Erstreckung des Brenners 1 liegt, weist einen mittig angeordneten Brennstoffkanal 31 auf, der stromab am Lanzenende in einer Brennstoffdüse 32 endet.
Nach der in Fig.1 dargestellten Ausführungsvariante münden im Bereich des Lanzenendes darüber hinaus radial ausgerichtete Düsen 33, aus denen zur zusätzlichen Dämpfung sich im Verbrennungssystem ausbildender thermoakustischer Schwingungen Luft in den Brennerinnenraum 2 eingebracht wird. Diese Luft, wie auch der Brennstoff, können moduliert eingespeist werden. Das sich in einer Drallströmung 6 durch den Brennerinnenraum 2 in die Brennkammer 4 ausbreitende Brennstoff- /Luftgemisch vermag die sich innerhalb der Brennkammer 4 ausbildende Rückströmzone 5 zu stabilisieren, zumal die Wirbelstärke des Brennstoff-/Luftgemisches vor und während der Zündung den Wirbelzerfall innerhalb der Brennkammer 4 begünstigt, wodurch die Rückströmzone 5 stabilisiert wird. Hierdurch kann verhindert werden, daß die Rückströmzone 5 ihre Lage periodisch ändert, was letztlich Ursache der sich innerhalb des Verbrennungssytems ausbreitenden thermoakustischen Schwingungen ist.
In Figur 2 ist eine Diagrammdarstellung abgebildet, die die Wirkung der erfindungsgemäß ausgebildeten Brennerlanze 3 auf die Unterdrückung von Instabilitäten in Form von Druckschwingung im 120 Hz-Bereich verdeutlicht. Die Pulsationen, die in Druckwerten (Pa) entlang der Ordinate in Figur 2 aufgetragen sind, sind als Funktion der Position des Lanzenendes im Brenner 1 aufgetragen. Entlang der Abszisse ist das Verhältnis I/L aufgetragen, d.h. das Verhältnis der Länge der Brennerlanze 3 zur gesamtaxialen Erstreckung L des Brenners. Die Position I/L = 0 entspricht dabei der ursprünglichen Position der zentralen Brennstoffdüse wie vorstehend erwähnt.
Die unterschiedlichen im Diagramm dargestellten Funktionsverläufe entsprechen, folgenden Messbedingungen, wie sie im übrigen aus der Legende der Figur 2 entnehmbar sind:
Die durchgehend, horizontal eingetragene Linie entspricht der Basislinie, gemäß der an sich bekannte Brennersysteme ohne die Vorkehrung der erfindungsgemäß ausgebildeten Lanze bei vorgegebenen Betriebsbedingungen schwingen. Der mit Quadraten durchsetzte Funktionsverlauf gibt das Schwingungsverhalten eines Brenners im Premixbetrieb wieder, bei dem lediglich die zentrale Brennerlanze vorgesehen ist, durch die jedoch kein Brennstoffeintrag in den Brenner erfolgt. Die mit den ausgefüllten Rauten durchsetzte Linie gibt den Betrieb unter Verwendung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Brennerlanze 3 wieder, bei der 2 kg Brennstoffaustrag pro Std. als Brennstoffzugabe durch die Brennerlanze 3 gewählt wurde. Schließlich zeigt die mit Dreiecken durchsetzte punktierte Linie einen Fall unter Verwendung der erfindungsgemäß ausgebildeten Brennerlanze 3, gleichsam jenem mit der Rauten durchsetzten Linie, jedoch mit einer Brennstoffzugabe von 5 kg pro Std..
Aus Figur 2 wird deutlich, dass die sich einstellenden Instabilitäten im Vormischbetrieb bei dem in Figur 1 dargestellten Brenner mit einer Lanzenposition von I/L = 0,6 - 0,8 am besten unterdrücken lassen. Die bevorzugte Lanzenposition liegt dabei bei I/L = 0,7.
Die Unterdrückung der Instabilitäten im Brennerbetrieb, die im wesentlichen durch eine verbesserte Flammenstabilität und durch die Zerstörung kohärenter Strukturen gewährleistet werden kann, lässt sich verbessern, indem das Lanzenende als Störkörper 10, 11, 13 konfiguriert wird, um Wirbelstärke in Strömungsrichtung einzubringen. Aus den Figuren 5-8 gehen hierzu unterschiedliche Störkörpergeometrien hervor, gemäß denen das Lanzenende auszubilden ist. In Abhängigkeit der in diesen Figuren dargestellten Störkörpergeometrien können die in Figur 3 dargestellten Kennlinien zur Darstellung der Wirkungsweise der Unterdrückung von Instabilitäten gewonnen werden.
Die in Figur 3 dargestellte Diagrammdarstellung ist mit der in Figur 2 vergleichbar. Die Zugehörigkeit der einzelnen Funktionsverläufe zu den unterschiedlich ausgebildeten Störkörpergeometrien sind ebenfalls direkt aus der Legende der Figur zu entnehmen. Wieder ergibt sich der Sachverhalt, dass eine Unterdrückung von Instabilitäten mit einer Brennerlanzenlänge von I/L = 0,6 - 0,8 am deutlichsten ausgeprägt ist.
Von allen untersuchten Störgeometrien erweist sich die konisch ausgebildete Brennerlanze (Fig.7) als besonders geeignet, Instabilitäten zu unterdrücken (siehe hierzu die mit auf den Kopf gestellten Dreiecken durchsetzte gestrichelte Linie in Fig. 3).
In Figur 4 ist die Auswertung der einzelnen Störgeometrien in Bezug auf die Stickoxidemission dargestellt. Hierbei erweist sich die mit einer Vielzahl von Brennstoffaustrittsöffnungen durchsetzte Brennerlanze als besonders vorteilhaft, die in Figur 5 dargestellt ist. Die in Figur 5 abgebildete Störgeometrie sowie auch die in den Folgefiguren abgebildeten Geometrien können beispielsweise als Schraubaufsätze mit einem Gewinde ausgebildet, die in den Brennerkopf eingeschraubt werden und insbesondere zu Testzwecken leicht ausgetauscht werden können.
Die in Figur 5 abgebildete Brennerlanze 3 ist mit einer Vielzahl den Mantel lateral durchsetzender Brennstoffaustrittsöffnungen 9 ausgerüstet. Durch eine axiale Auffächerung der Brennstoffeindüsung wird eine homogene Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft gewährleistet. Die Eindüsung erfolgt dabei vorzugsweise im Bereich der - in Strömungsrichtung gesehen - zweiten Lanzenhälfte.
Figur 6 zeigt eine sternförmig ausgebildete Lanzenendgeometrie, Figur 7 eine konisch ausgebildete Lanzenendgeometrie, wobei der Brennstoffaustrag aus der Lanze 3 durch axial ausgerichtete Austrittsöffnungen 12, 32 erfolgt, gleichsam der Lanzengeomtrie in Figur 8, die eine Brennerlanze zeigt, an der eine Platte 13 angebracht ist.
Die Störgeometrien vermögen, wie oben anhand von Fig. 3 geschildert, die Premixströmung entscheidend beeinflussen.
Bezugszeichenliste
1
Brenner
1a;1b
Halbschalen
2
Brennerinnenraum
3
Brennerlanze
31
Brennstoffleitung
32
axiale Brennstoffaustrittsöffnung an der Lanze 3
33
radiale Lufteindüsung
4
Brennkammer
5
Rückströmzone
6
Drallströmung
7
Verbrennungsluft
8
Brennstoff
9
Brennstoffaustrittsöffnung an der Lanze 3
10
sternförmige Lanzenendgeometrie
11
konische Lanzenendgeometrie
12
Brennstoffaustrittsöffnung an der Lanze 3
13
Platte am Lanzenende
I
Länge der Brennerlanze

Claims (17)

  1. Verfahren zur Verminderung verbrennungsgetriebener Schwingungen in Verbrennungssystemen, insbesondere in Brennkammern von Strömungskraftmaschinen, ausgerüstet mit wenigstens einem Brenner, in den mindestens ein Verbrennungsluftstrom tangential in einen Brennerinnenraum eingeleitet wird und sich unter Ausbildung einer koaxial zur Brennerachse orientierten Drallströmung mit einem eingedüsten gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff intensiv vermischt und diese Drallströmung an einem Querschnittssprung am Brenneraustritt eine die dort wirkende Flammenfront stabilisierende Rückströmzone induziert,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur strömungsmechanischen Stabilisierung der Rückströmzone in der Drehachse der Drallströmung (6) ein Störkörper (3) angeordnet ist, und aus diesem zentralen Störkörper (3) ein zusätzlicher Brennstoffaustrag in die Drallströmung (6) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper (3) einen Bereich von wenigstens 50%, vorzugsweise 60% bis 80%, der axialen Länge des Brennerinnenraums (2) einnimmt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Brennstoffaustrag in die Drallströmung (6) zumindest überwiegend in einem Bereich von über 50% der axialen Länge des Brennerinnenraums erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffaustrag derart erfolgt, dass sich stromab ein homogen durchmischtes Brennstoff-/Luftgemisch ausbildet.
  5. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Störkörper Brennstoff und Verbrennungsluft in die Drallströmung eingedüst werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Störkörper in Strömungsrichtung einen zunehmenden Querschnitt aufweist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungskraftmaschinen Gasturbinenanlagen verwendet werden.
  8. Vormischbrenner zur Verminderung verbrennungsgetriebener Schwingungen innerhalb eines Verbrennungssystems, insbesondere einer Brennkammer () einer Strömungskraftmaschine, im wesentlichen umfassend einen Drallerzeuger aus zwei halbschalenförmigen, sich konisch erweiternden Teilkörpern (1a) und (1b), die derart achsparallel und zueinander versetzt angeordnet sind, dass sie in zwei spiegelbildlich gegenüberliegenden Überlappungsbereichen tangentiale Spalte bilden, die als Eintrittskanäle für die Verbrennungsluft (7) in den Brennerinnenraum (2) dienen, weiterhin umfassend wenigstens eine zentrale Brennstoffdüse innerhalb des von den Teilkörpern (1a) und (1b) umschlossenen Innenraums (2),
    dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Brennstoffdüse in Form einer koaxial orientierten Brennerlanze (3) ausgebildet ist und in den Brennerinnenraum (2) bis zu wenigstens einem Drittel seiner axialen Länge hineinragt, und die Brennerlanze (3) zumindest in ihrem stromabwärtigen Endbereich mit Mitteln zum Austrag wenigstens eines Fluids in den Brennerinnenraum (2) ausgerüstet ist.
  9. Vormischbrenner nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerlanze (3) in einem Bereich zwischen 60% und 80% der axialen Länge des Brennerinnenraums (2) endet.
  10. Vormischbrenner nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (3) im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.
  11. Vormischbrenner nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (3) zumindest in ihrem stromabwärtigen Endbereich einen sich erweiternden Querschnitt aufweist.
  12. Vormischbrenner nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (3) einen in Strömungsrichtung sich konisch erweiternden Endbereich aufweist.
  13. Vormischbrenner nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (3) einen in Strömungsrichtung sich sternförmig erweiternden Endbereich aufweist.
  14. Vormischbrenner nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (3) in ihrem Endbereich eine senkrecht zur Strömungsrichtung orientierte Platte (13) aufweist.
  15. Vormischbrenner nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich der Brennerlanze (3) mit Brennstoffaustrittsöffnungen (32) ausgerüstet ist.
  16. Vormischbrenner nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich der Brennerlanze (3) mit Austrittsöffnungen (32) und (33) für Brennstoff und Verbrennungsluft ausgerüstet ist.
  17. Vormischbrenner nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel der Brennerlanze (3) mit Austrittsöffnungen (9) für Brennstoff ausgerüstet ist.
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