EP1463911B1 - Brenner mit gestufter brennstoffeinspritzung - Google Patents
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- EP1463911B1 EP1463911B1 EP02782625.4A EP02782625A EP1463911B1 EP 1463911 B1 EP1463911 B1 EP 1463911B1 EP 02782625 A EP02782625 A EP 02782625A EP 1463911 B1 EP1463911 B1 EP 1463911B1
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- 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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- 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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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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- F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
- F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators
Definitions
- the present invention relates to a burner, e.g. a double-cone burner, with special injection of fuel into the combustion air stream, in which the formation of thermoacoustic vibrations is largely avoided. Furthermore, the present invention relates to a fuel lance for such a burner and a method for operating a premix burner, which reduces the formation of thermoacoustic vibrations.
- 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. This is especially true if the burners are operated with high air numbers. 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. Also, such thermoacoustic vibrations occur Premix burners with downstream mixing section, as for example in the EP 0 704 657 be described on. In addition to the fluidic stability, 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. Such fluctuations can also be caused by alternating flame front positions.
- thermoacoustic oscillations Another excitation mechanism for thermoacoustic oscillations is given if, with proper phase position (the so-called Rayleigh criterion must be met, see below), local variations in heat release are coupled with variations in the mixture fraction across the fluctuating air column in the burner.
- thermoacoustic vibrations pose a threat to any type of combustion application. They result in high amplitude pressure oscillations, a limitation of the operating range, and can increase pollutant emissions. This is especially true for combustion systems with low acoustic attenuation, such.
- 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.
- a control of the combustion instabilities is possible (eg. Paschereit et al., 1998, "Structure and Control of Thermoacoustic Instabilities in a Gas Turbine Burner", Combustion, Science & Technology, Vol. 138, 213-232 ).
- One possibility is the acoustic stimulation ( EP 0 918 152 A1 ).
- the flame position can be influenced and thus the influence of flow instabilities as well as time lag effects reduced (eg in the EP 0 999 367 A1 described).
- Another method with multiple fuel holes describes the WO0196785A1 , at least one first fuel supply having a first group of fuel outlets for a first amount of premix fuel, wherein the first group of fuel outlets is arranged substantially in the direction of a burner axis, and at least one second fuel supply with a second group of fuel Outlets for a second quantity of premix fuel, wherein the second group of fuel discharge openings is arranged substantially in the direction of the burner axis.
- thermoacoustic oscillations Another mechanism that can lead to thermoacoustic oscillations are fluctuations in the mixture break between fuel and air.
- the invention is therefore an object of the invention to provide a burner, means for injecting fuel into a burner, and a method for operating a burner, in which the occurrence of such thermoacoustic vibrations is reduced or even avoided.
- thermoacoustic oscillations are reduced or even completely avoided by means projecting from the burner base in the direction of the combustion chamber into the interior, which means injecting fuel over at least two fuel injection holes distributed over the length of the means allow the combustion air flow, so that the delay time between injection of the fuel and its combustion at the flame front corresponds to a, in particular systematically varying, distribution, which avoids combustion-driven vibrations in premixing.
- the injected fuel may be liquid or gaseous fuel.
- the delay time ⁇ between injection location and effective combustion at the flame front is essentially the same for all fuel nozzles distributed over the burner length.
- the essence of the invention is thus to inject the fuel into the combustion air flow via means arranged in the interior in such a way that the same delay time ⁇ between injection location and effective combustion at the flame front does not occur for all fuel nozzles distributed essentially over the burner length
- Delay takes a particular on the burner length systematically varying distribution.
- a first preferred embodiment of the burner is characterized in that the means is a fuel lance which is arranged substantially on the axis of the burner and which has fuel injection holes in particular along its surface.
- the fuel lance has a substantially cylindrical cross-section, wherein the fuel injection holes are distributed on the fuel lance both with respect to the length of the fuel lance and with respect to its circumferential arrangement.
- the delay time dispersion can be set almost arbitrarily with a suitable choice of the injection location and the fuel penetration depth, so that different streamlines can be fed.
- the stepped injection can be made in a simple and efficient manner.
- pilot fuel gaseous or liquid
- a pilot nozzle is arranged at the top of the lance, and in the outermost space between the pipe with the largest diameter and the next inner tube of the fuel, which in premixing is to be injected through the fuel injection holes in the interior.
- the often existing pilot lance which is provided for the piloted operation of the burner, can be advantageously used as a fuel lance after slight modification for injecting fuel in a staged manner during premixing operation.
- the means protrude far into the mixing section of the burner.
- the length of the fuel lance is limited by the length of the lance base to the flame position in the combustion chamber in premix operation.
- the further the fuel lance protrudes into the interior of the burner the more distributions of the delay time can be achieved.
- the burner is a cone burner, in particular a double-cone burner, in which the burner is arranged offset from one another by at least two hollow partial cone bodies positioned one above the other in the flow direction, and which partial cone bodies are arranged offset from one another, so that the Combustion air flows through a gap between the part cone bodies in the interior, is formed.
- the inventive concept in burners as described for example in the EP-B1-0 321 809 , of the EP-A2-0 881 432 or in a very general form in the EP-A1-0 210 462 are described, find application.
- it is a four-slot burner, in other words, the inventive concept in a burner, as for example in the EP-A2-0 704 657 or in the EP-A2-0 780 629 is described, find application.
- Another embodiment of the burner is characterized in that the fuel injection holes are divided into groups each having a group of fuel injection holes is arranged such that all nozzles of the group feed a specific area of the flame front with different time delay.
- the fuel injection holes are divided into groups each having a group of fuel injection holes is arranged such that all nozzles of the group feed a specific area of the flame front with different time delay.
- the present invention also relates to a method for injecting fuel into a burner, according to claim 1.
- fuel is at least partially projecting from the burner base substantially in the direction of the combustion chamber into the interior means which injecting fuel over at least two of the Length of the means allow distributed fuel injection holes in the combustion air flow, injected, so that the delay time between injection of the fuel and its combustion at the flame front corresponds to a distribution which avoids combustion-driven vibrations in premixing operation.
- 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 draft difference ⁇ to a minimum value at the burner end of ⁇ max - ⁇ .
- the delay time ⁇ which elapses between the injection at the fuel nozzles 6 to the ignition at the flame front 3, nearly constant for all positions of the fuel nozzles, as in Fig. 1b is shown schematically (the coordinate x extends from the output 10 of the burner 1 to its rear end, ie to the burner base 27, ie in the FIG. 1 a 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.
- Fig. 2 it is now proposed to set a distribution of the delay time over the burner length instead of the previously substantially constant time delay from the fuel injection 6 to the flame front 3.
- 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 as in Fig. 2 specified.
- ⁇ x-axis
- ⁇ max y-axis
- the stability of a burner which operates with its typical operating values mostly close to the island 13, can be stabilized both by an increase in the flow velocity according to arrow 15, and by an increase in the delay time difference ⁇ , ie by a shift in the Operating point in the graph according to arrow 14 to the right.
- ⁇ max can not always be shifted into the stable low range according to Fig. 15 (see below) is a shift by setting increased delay time differences ⁇ ie over more spread delay times, often an efficient and viable alternative.
- the operating point for operating a gas turbine at base load is at Fig.
- the delay times are usually in the range of 5 to 50 ms at flow velocities of 10 to 100 m / s.
- a double-cone burner serving as an exemplary embodiment, as already described in US Pat Fig. 1 represented by a fuel injection into the combustion air stream 23 by means of a fuel lance 24, as in Fig. 4 is shown.
- the fuel lance 24 protrudes from the burner base 27, starting in the interior 22 of the double-cone burner 1.
- the fuel lance is arranged substantially on the axis of the double-cone burner 1, has a cylindrical shape and distributed on its radial surface fuel injection holes 25.
- the fuel injection holes 25 are over the length of the fuel lance 24 distributed.
- the holes 25 are also distributed on the circumference, either in the form of rings, or, as in Fig. 4 shown in offset form.
- the delay time spread can be set almost as desired with an appropriate choice of the injection location and the fuel penetration depth. Also different streamlines 5 within the burner 1 can be spied.
- the maximum delay time ⁇ max occurring in such a burner 1 is, as in FIG Fig. 4 indicated by the ratio of the maximum distance L between fuel injection and flame front 3 given the flow velocity U in the burner.
- the maximum distance L is usually the distance between nearest to the burner base 27 arranged fuel nozzle 6 and the flame front 3.
- the ratio of fuel injected via fuel nozzles 6 at the air inlet slots 7 to fuel injected via the fuel injection holes 25 can be adjusted and regulated in situ. In any case, it is provided that the fuel injected via the fuel lance 24 at least partially replaces the fuel which is injected via the fuel nozzles 6.
- the maximum scattering ⁇ proves to be important with regard to the prevention of thermoacoustic oscillations, while the distribution function of ⁇ usually plays a rather minor role. Even a small proportion of in the range of 5 - 30% of the total fuel mass flow, which is injected via the lance, may be sufficient to stabilize the flame by the scattering.
- the maximum width over which a distribution 12 is adjustable is essentially predetermined by the length of the fuel lance 24. Satisfactory results with respect to the prevention of thermoacoustic vibrations can be achieved with fuel lances 24 which extend at least to half the conical section of the burner, but the lance 24 is preferably longer and extends over 3/4 of the length of the burner or even over the entire length of the burner. In principle, the lance can extend to the location at which the flame front 3 is located in the premixing mode.
- the fuel lance 24 is simultaneously used as a pilot lance, that is, the fuel lance 24 also has the ability to produce a diffusion flame as close as possible to the existing during premixing flame position for the piloted operation in the lower load range.
- a lance which is intended for the oil operation of the premix burner.
- Suitable is, for example, an extended pilot lance, as z. B. in the writings EP-A2-0 788 445 in the case of a double-cone burner, in WO 93/17279 in the case of an inverted double cone burner with a cylindrical outer shape and in EP-A2-0 833 105 in the case of an inverted double-cone burner with cylindrical outer shape and downstream mixing section is described.
- the fuel lance 24 is advantageously formed in the form of nested, concentric cylindrical tubes, wherein in the central tube with the smallest diameter of the pilot fuel (gaseous or liquid) respectively the oil fuel flows in the case of piloted operation respectively oil operation, while in the space between the outer tube and the next inner Pipe the fuel is supplied to the injection via the fuel injection holes 25. It is also possible to divide the individual fuel injection holes 25 into individually controllable groups in order, if appropriate, to be able to adjust or regulate the distribution 12 variably and the operating conditions of the premix burner.
- FIG. 5 Another embodiment is in Fig. 5 shown.
- This is a four-slot burner, ie a premix burner, which has four conical elements and thus four air inlet slots 7.
- the burner also has a downstream mixing section 26, which is cylindrical and also in Fig. 5 having not shown, extending in the flow direction transition channels.
- Such a burner is for example in the EP-A2-0 704 657 and in the EP-A2-0 780 629 shown. Even with such burners, a similar problem arises, namely that the delay time dispersion in the fuel injection via the fuel nozzles 6 is small in comparison to the maximum value ⁇ max .
- the fuel lance 24 protrudes in this case not only over the length of the conical section in the burner, but still far into the mixing channel 26 into it.
- the lance 24 should have a length which corresponds to at least half the length of conical portion + mixing distance 26. Due to the large length of the fuel lance 24, the delay time spread can be varied within a wide range, which allows a stable burner behavior over an extended operating range.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner, z.B. einen Doppelkegelbrenner, mit besonderer Einspritzung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom, bei welcher die Ausbildung von thermoakustischen Schwingungen weitgehend vermieden wird. Ausserdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstofflanze für einen derartigen Brenner sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners, welches die Ausbildung von thermoakustischen Schwingungen vermindert.
- Bei Brennern, welche flüssigen oder gasförmigen Brennstoff einem Brennraum zuführen, wo der Brennstoff an einer Flammfront verbrennt, treten häufig sogenannte thermoakustische Schwankungen auf. Dies insbesondere dann, wenn die Brenner mit hohen Luftzahlen betrieben werden. So auch z.B., aber nicht ausschliesslich, beim sehr erfolgreich eingesetzten sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er in der
EP 0 321 809 beschrieben ist. Ebenfalls treten derartige thermoakustische Vibrationen bei Vormischbrennern mit nachgeschalteter Mischstrecke, wie sie beispielsweise in derEP 0 704 657 beschrieben werden, auf. Neben der strömungstechnischen Stabilität sind Mischungsbruchschwankungen ein Hauptgrund für das Auftreten von derartigen thermoakustischen Instabilitäten. Strömungsmechanische Instabilitätswellen, die am Brenner entstehen, führen zur Ausbildung von Wirbeln (kohärente Strukturen), die die Verbrennung beeinflussen und zu periodischer Wärmefreisetzung mit den damit verbundenen Druckschwankungen führen können. Die fluktuierende Luftsäule im Brenner führt zu Schwankungen im Mischungsbruch mit den damit verbundenen Schwankungen in der Wärmefreisetzung. Solche Schwankungen können ausserdem durch alternierende Flammenfrontpositionen hervorgerufen werden. - Ein weiterer Anregungsmechanismus für thermoakustische Schwingungen ist gegeben, wenn bei richtiger Phasenlage (das sogenannte Rayleigh Kriterium muss erfüllt sein, siehe unten) lokale Schwankungen in der Wärmefreisetzung mit Schwankungen im Mischungsbruch über die fluktuierende Luftsäule im Brenner gekoppelt sind.
- Häufig sind in solchen Brennern mehrere Brennstoffeinspritzdüsen vorgesehen, die in Gruppen angeordnet sind, um so in verschiedenen Lastbereichen eine stabile Verbrennung zu gewährleisten, z. B. besondere Pilotierungsdüsen für den unteren Lastbereich. Dabei kann sich die Flammenlage je nach Art der Pilotierung deutlich verschieben, und in einem solchen Fall kann es in Übergangsbereichen zu thermoakustischen Schwankungen auch durch periodische Veränderung der Flammenfrontpositionen kommen.
- 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, wie z. B. Ringbrennkammern mit schallharten Wänden. Um in Bezug auf Pulsationen und Emissionen eine hohe Leistungskonversion über einen weiten Betriebsbereich zu ermöglichen, kann eine aktive Kontrolle der Verbrennungsschwingungen notwendig sein.
- Kohärente Strukturen spielen eine entscheidende Rolle bei Mischungsvorgängen zwischen Luft und Brennstoff. Die Dynamik dieser Strukturen beeinflusst demzufolge die Verbrennung und damit die Wärmefreisetzung. Durch Beeinflussung der Scherschicht zwischen dem Frischgasgemisch und dem rezirkulierten Abgas ist eine Kontrolle der Verbrennungsinstabilitäten möglich (z. B. Paschereit et al., 1998, "Structure and Control of Thermoacoustic Instabilities in a Gas-turbine Burner", Combustion, Science & Technology, Vol. 138, 213-232). Eine Möglichkeit dazu ist die akustische Anregung (
EP 0 918 152 A1 ). - Durch Brennstoffstaging lässt sich die Flammenposition beeinflussen und damit der Einfluss von Strömungsinstabilitäten als auch Zeitverzugseffekten vermindern (z.B. in der
EP 0 999 367 A1 beschrieben). Ein weiteres Verfahren mit mehreren Brennstofföffnungen beschreibt dieWO0196785A1 - Ein weiterer Mechanismus, der zu thermoakustischen Schwingungen führen kann, sind Schwankungen im Mischungsbruch zwischen Brennstoff und Luft.
- Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen Brenner, Mittel zur Eindüsung von Brennstoff in einen Brenner, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners anzugeben, bei welchem das Auftreten derartiger thermoakustischer Schwingungen vermindert oder sogar vermieden wird.
- Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Brenner gemäß Anspruch 5 gelöst.
- Bei einem derartigen Brenner bzw. derartigen Verfahren werden thermoakustische Schwingungen erfindungsgemäss verringert oder sogar ganz vermieden, indem von der Brennerbasis in Richtung des Brennraums in den Innenraum ragende Mittel angeordnet sind, welche eine Eindüsung von Brennstoff über wenigstens zwei über die Länge der Mittel verteilte Brennstoffeindüsungslöcher in den Verbrennungsluftstrom erlauben, sodass die Verzugszeit zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammenfront einer, insbesondere systematisch variierenden, Verteilung entspricht, welche verbrennungsgetriebene Schwingungen im Vormischbetrieb vermeidet. Beim eingedüsten Brennstoff kann es sich dabei um flüssigen oder gasförmigen Brennstoff handeln.
- 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 Ein düsungsposition 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 über im Innenraum angeordnete Mittel in den Verbrennungsluftstrom einzudüsen, dass sich keine im wesentlichen für alle über die Brennerlänge verteilten Brennstoffdüsen gleiche Verzugszeit τ zwischen Eindüsungsort und effektiver Verbrennung an der Flammfront einstellt, sondern dass die Verzugszeit eine über die Brennerlänge insbesondere systematisch variierende Verteilung annimmt.
- Ein erste bevorzugte Ausführungsform des Brenners zeichnet sich dadurch aus, dass es sich bei den Mitteln um eine Brennstofflanze handelt, welche im wesentlichen auf der Achse des Brenners angeordnet ist, und welche insbesondere entlang ihrer Oberfläche Brennstoffeindüsungslöcher aufweist. Bevorzugt weist dabei die Brennstofflanze einen im wesentlichen zylindrischen Querschnitt auf, wobei die Brennstoffeindüsungslöcher sowohl in bezug auf die Länge der Brennstofflanze als auch in bezug auf deren umfangsmässige Anordnung auf der Brennstofflanze verteilt sind. In diesem Fall lässt sich bei entsprechender Wahl des Eindüsungsortes und der Brennstoffeindringtiefe die Verzugszeitsstreuung nahezu beliebig einstellen, so dass verschiedene Stromlinien gespiesen werden können. Über dieses zentrale, in den Innenraum ragende Rohr, welches z. B. aus koaxial ineinander verschachtelten Rohren, gebildet werden kann, kann in einfacher und effizienter Weise die gestufte Eindüsung vorgenommen werden. Wenn koaxial ineinander verschachtelte Rohre Anwendung finden, so kann z. B. im zentralen Rohr mit kleinstem Durchmesser der Pilotbrennstoff (gasförmig oder flüssig) zugeführt werden, da typischerweise eine Pilotdüse an der Spitze der Lanze angeordnet ist, und im äussersten Zwischenraum zwischen dem Rohr mit grössten Durchmesser und dem nächstinnenliegenden Rohr der Brennstoff, welcher im Vormischbetrieb durch die Brennstoffeindüsungslöcher in den Innenraum eingedüst werden soll. Mit anderen Worten kann vorteilhafterweise als Brennstofflanze die häufig bereits vorhandene Pilotlanze, welche für den pilotierten Betrieb des Brenners vorgesehen ist, nach leichter Modifikation zur Eindüsung von Brennstoff in gestufter Weise beim Vormischbetrieb verwendet werden. Dazu eignet sich insbesondere eine verlängerte Pilotlanze, wie sie beispielsweise in den Schriften
EP-A2-0 778 445 für den Fall eines Doppelkegelbrenners und inWO 93/17279 EP-A2-0 833 105 für Vormischbrenner ohne resp. mit nachgeschalteter Mischstrecke beschrieben werden. - Gemäss der vorliegenden ragen die Mittel weit in die Mischstrecke des Brenners hinein. Im wesentlichen ist die Länge der Brennstofflanze durch die Länge von Lanzenbasis bis zur Flammenposition in der Brennkammer im Vormischbetrieb beschränkt. Je weiter die Brennstofflanze in den Innenraum des Brenners hineinragt, desto weitere Verteilungen der Verzugszeit können erzielt werden. Je mehr Brennstoff im Verhältnis zum beispielsweise an Lufteintrittsschlitzen eingedüsten Brennstoff in verteilter Weise über die Brennstofflanze in den Verbrennungsluftstrom eingebracht werden kann, desto effizienter lassen sich thermoakustische Schwingungen vermeiden.
- Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich beim Brenner um einen Kegelbrenner, insbesondere 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. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemässe Konzept bei Brennern, wie sie beispielsweise in der
EP-B1-0 321 809 , derEP-A2-0 881 432 oder in ganz allgemeiner Form in derEP-A1-0 210 462 beschrieben sind, Anwendung finden. - Gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um einen Vierschlitzbrenner, Mit anderen Worten kann das erfindungsgemässe Konzept bei einem Brenner, wie er beispielsweise in der
EP-A2-0 704 657 oder in derEP-A2-0 780 629 beschrieben ist, Anwendung finden. - Eine andere Ausführungsform des Brenners ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeindüsungslöcher in Gruppen aufgeteilt sind, wobei jeweils eine Gruppe von Brennstoffeindüsungslöchern derart angeordnet ist, dass alle Düsen der Gruppe einen bestimmten Bereich der Flammfront mit unterschiedlichem Zeitverzug speisen. Typischerweise ist es zum Beispiel möglich, an den Mitteln insgesamt 2n Brennstoffeindüsungslöcher vorzusehen, welche insbesondere in n Gruppen mit je 2 Düsen aufgeteilt sind und als Gruppen individuell angesteuert werden können.
- Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Brenners sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
- Die vorliegende Erfindung betrifft ausserdem ein Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff in einen Brenner, gemäß Anspruch 1. Dabei wird Brennstoff wenigstens teilweise mittels von der Brennerbasis im wesentlichen in Richtung des Brennraums in den Innenraum ragende Mittel, welche eine Eindüsung von Brennstoff über wenigstens zwei über die Länge der Mittel verteilte Brennstoffeindüsungslöcher in den Verbrennungsluftstrom erlauben, eingedüst, so dass die Verzugszeit zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammenfront einer Verteilung entspricht, welche verbrennungsgetriebene Schwingungen im Vormischbetrieb vermeidet. Typischerweise liegt dabei der maximale Zeitverzug (τmax) zwischen Eindüsungsort und Flammfront im Bereich von τmax = 5-50 ms, und bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Gemisches im Innenraum im Bereich von 20-50 m/s liegt der maximale Zeitverzug (τmax) im Bereich von τmax = 5 - 15 ms.
- Im erfindungsgemässen Verfahren 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. Die liegt Verzugsdifferenz Δτ im Bereich von 10-90% des Maximalwerts τmax, insbesondere im Bereich von mehr als 50 % des Maximalwerts τmax.
- Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
- 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. 4
- einen Doppelkegelbrenner mit im Innenraum des Brenners angeordneten Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff;
- Fig. 5
- einen Vierschlitzbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke mit im Innenraum des Brenners angeordneten Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff.
- Fig. 6
- eine erste Ausführungsform eines weiteren Brenners mit erfindungsgemässen zentralen Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff und
- Fig. 7
- eine zweite Ausführungsform eines weiteren Brenners mit erfindungsgemässen zentralen Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff.
- Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche Elemente werden in verschiedenen Figuren gleich bezeichnet.
- 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
- Es zeigt sich nun, dass der Zeitverzug vom Eindüsungsort bei den Brennstoffdüsen bis zur Flammfront bei bestehenden Vormischbrennem über die gesamte Eindüsungslänge des Vormischgases in bestimmten Betriebspunkten konstant ist. So z.B. bei einem Doppelkegelbrenner nach dem Stand der Technik wie in
Fig. 1a dargestellt. - In diesem beispielhaft zu verstehenden Längsschnitt durch einen Doppelkegelbrenner 1, wie er z.B. aus der
EP 0 321 809 bekannt ist, ist der obere Spalt 7 zwischen den beiden konischen Brennerschalen 8 und 9 erkennbar. Die Verbrennungsluft 23 tritt durch diesen Spalt 7 an den über die Brennerlänge verteilten Brennstoffdüsen 6 vorbei in den Innenraum 22, wobei der Brennstoff von der vorbeiströmenden Luft 23 erfasst und umschlossen wird. Im Innenraum 22 des Brenners 1 strömt der Verbrennungsluftstrom unter Ausbildung einer sich in Strömungsrichtung ausbreitenden kegelförmigen Brennstoffsäule entlang der Stomlinien 5. Das Brennstoff/Luft-Gemisch gelangt dann in den Brennraum 2, wo es an einer Flammfront 3 entzündet. Die Strömung im Brennerinnenraum 22 bis zur Flammenfront 3 folgt dabei den Stromlinien wie inFig. 1a dargestellt. - 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. zur Brennerbasis 27, d.h. in derFigur 1 a von rechts nach links). Es kann mit anderen Worten keine systematische Variation der Verzugszeiten τ in Funktion der Brennstoffdüsenposition entlang des Brenners 1 beobachtet werden (z.B. kürzere Verzugszeiten für Düsen 6 nahe beim Brenneraustritt 10), sondern vielmehr eine mehr oder weniger zufällig erscheinende, um einen Mittelwert nur wenig schwankende Verteilung als Funktion des Eindüsungsortes x. - Wie in
Fig. 2 dargestellt, wird nun vorgeschlagen, anstelle des bisher im wesentlichen konstanten Zeitverzugs von der Brennstoffeindüsung 6 bis zur Flammfront 3 eine Verteilung der Verzugszeit über die Brennerlänge einzustellen. Die Verteilung wird in einer ersten Wahl so eingestellt, dass die Verzugszeiten τ um eine Verzugszeitendifferenz Δτ linear variiert, und zwar von einem Minimum τmax-Δτ zum Maximum im hinteren Brennerbereich von τmax linear zunehmend. - In einer zweidimensionalen Darstellung ist in
Fig. 3 die Brennerstabilität als Funktion der Parameter Δτ (x-Achse) und τmax (y-Achse) für eine Verzugszeitverteilung wie inFig. 2 angegeben. Grundsätzlich zeigt sich, dass sowohl Veränderungen im Maximalwert als auch Variationen in der Zeitverzugsstreuung die Stabilität des Brenners stark beeinflussen können. 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, inFig. 3 schraffierte Bereiche ausbilden. Auf der einen Seite ein instabiler Bereich 16 kurzer Verzugszeiten. Fast unabhängig von der Wahl von Δτ ist der Brenner hier akustisch nicht stabil für derart hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Ein zweiter, inselartiger Bereich 13 instabilen Verhaltens findet sich für niedrige Geschwindigkeiten, d.h. hohe Werte von τmax, und für kleine Werte von Δτ. - Grundsätzlich ist 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 gemäss 15 verschoben werden kann (vgl. unten), ist eine Verschiebung mittels Einstellung erhöhter Verzugszeitendifferenzen Δτ d.h. über stärker gespreizte Verzugszeiten, oftmals eine effiziente und realisierbare Alternative. Typischerweise liegt der Betriebspunkt für den Betrieb einer Gasturbine bei Grundlast beim in
Fig. 3 angegebenen Punkt 19. Dieser Punkt liegt im Grenzbereich zwischen stabiler und instabiler Verbrennung und kann grundsätzlich sowohl durch Variationen im Maximalwert, als auch durch eine Veränderung der Streuung stabilisiert werden. Variationen im Maximalwert hängen im allgemeinen zusammen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten im Brenner, also mit Leistungsvariationen. Diese sind im allgemeinen durch den Betrieb der Gasturbine gegeben und lassen sich bei bestehenden Gasturbinenausführungen häufig nur schwer beeinflussen. - 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. Bei Vierschlitzbrennern mit nachgeschalteter Mischstrecke liegen die Verzugszeiten normalerweise im Bereich von 5 - 50 ms bei Strömungsgeschwindigkeiten von 10-100 m/s. Δτ kann nun in einem weiten Bereich variiert werden, typischerweise erweisen sich Variationen von Δτ = 0.5 τmax oder darüber als besonders vorteilhaft, sowohl bei Doppelkegelbrennern als auch bei Vierschlitzbrennern mit nachgeschalteter Mischstrecke.
- Technisch realisieren lässt sich eine derartige Verteilung an einem als Ausführungsbeispiel dienenden Doppelkegelbrenner wie bereits in
Fig. 1 dargestellt über eine Brennstoffeinspritzung in den Verbrennungsluftstrom 23 mittels einer Brennstofflanze 24, wie sie inFig. 4 dargestellt ist. Die Brennstofflanze 24 ragt von der Brennerbasis 27 ausgehend in den Innenraum 22 des Doppelkegelbrenners 1. Die Brennstofflanze ist im wesentlichen auf der Achse des Doppelkegelbrenners 1 angeordnet, weist eine zylindrische Form auf, sowie auf ihrer radialen Oberfläche verteilte Brennstoffeindüsungslöcher 25. Die Brennstoffeindüsungslöcher 25 sind über die Länge der Brennstofflanze 24 verteilt. Ausserdem sind die Löcher 25 auch auf dem Umfang verteilt, entweder in Form von Ringen, oder, wie inFig. 4 dargestellt, in versetzter Form. In diesem Fall lässt sich bei entsprechender Wahl des Eindüsungsortes und der Brennstoffeindringtiefe die Verzugszeitsstreuung nahezu beliebig einstellen. Auch verschiedene Stromlinien 5 innerhalb des Brenners 1 können angespiesen werden. Die maximale in einem derartigen Brenner 1 auftretende Verzugszeit τmax ist, wie inFig. 4 angegeben, durch das Verhältnis des maximalen Abstands L zwischen Brennstoffeindüsung und Flammenfront 3 zur Strömungsgeschwindigkeit U im Brenner gegeben. Der maximale Abstand L ist dabei üblicherweise die Distanz zwischen am nächsten an der Brennerbasis 27 angeordneter Brennstoffdüse 6 und der Flammenfront 3. Betrachtet man nun Brennstoff, welcher über die Brennstoffeindüsungslöcher 25 der Brennstofflanze 24 in den Verbrennungsluftstrom 23 eingedüst wird, so zeigt sich, dass über den Abstand von zwei Brennstoffeindüsungslöchern 25 ein Zeitverzug Δτ zustande kommt, welcher dem Verhältnis aus Abstand ΔL zwischen zwei Brennstoffeindüsungslöchern 25 und der Strömungsgeschwindigkeit U des Verbrennungsluftstroms 23 im Brenner 1 entspricht (Δτ = ΔL/U). Auf diese Weise kann durch die Verteilung der Löcher 25 das gewünschte Verteilungsprofil 12 eingestellt werden. Dabei ist insbesondere eine Streuung der Verzugszeit anzustreben, die den halben Maximalwert erreicht oder überschreitet, Δτ ≥ 0.5 τmax. Je nachdem, in welchem Masse thermoakustische Schwingungen bei einem bestimmten Betriebszustand effektiv ein Problem darstellen, kann dabei das Verhältnis von über Brennstoffdüsen 6 bei den Lufteintrittsschlitzen 7 eingedüstem Brennstoff zu über die Brennstoffeindüsungslöcher 25 eingedüstem Brennstoff situativ eingestellt und geregelt werden. Auf jeden Fall ist vorgesehen, dass der über die Brennstofflanze 24 eingedüste Brennstoff den Brennstoff, welcher über die Brennstoffdüsen 6 eingedüst wird, wenigstens teilweise ersetzt. - Als wichtig in bezug auf die Verhinderung von thermoakustischen Schwingungen erweist sich insbesondere die maximale Streuung Δτ, während die Verteilungsfunktion von τ in der Regel eher eine untergeordnete Rolle spielt. Bereits ein geringer Anteil von im Bereich von 5 - 30% des Gesamtbrennstoffmassenstromes, welcher über die Lanze eingedüst wird, kann genügen, um durch die Streuung die Flamme zu stabilisieren.
- Die maximale Weite, über welche eine Verteilung 12 einstellbar ist, ist dabei im wesentlichen durch die Länge der Brennstofflanze 24 vorgegeben. Zufriedenstellende Ergebnisse in bezug auf die Vermeidung von thermoakustischen Schwingungen lassen sich mit Brennstofflanzen 24 erreichen, welche wenigstens bis in die Hälfte des kegelförmigen Abschnittes des Brenners reichen, die Lanze 24 ist aber vorzugsweise länger und erstreckt sich über 3/4 der Länge des Brenners oder sogar über die gesamte Länge des Brenners. Grundsätzlich kann sich die Lanze bis zu dem Ort erstrecken, an welchem im Vormischbetrieb die Flammenfront 3 lokalisiert ist.
- Vorteilhafterweise wird die Brennstofflanze 24 gleichzeitig als Pilotlanze verwendet, das heisst die Brennstofflanze 24 weist ausserdem die Möglichkeit auf, für den pilotierten Betrieb im unteren Lastbereich eine Diffusionsflamme möglichst nahe an der beim Vormischbetrieb vorhandenen Flammenposition zu erzeugen. Oder es kann eine Lanze verwendet werden, welche für den Ölbetrieb des Vormischbrenners vorgesehen ist. Geeignet ist zum Beispiel eine verlängerte Pilotlanze, wie sie z. B. in den Schriften
EP-A2-0 788 445 für den Fall eines Doppelkegelbrenners, inWO 93/17279 EP-A2-0 833 105 für den Fall eines umgekehrten Doppelkegelbrenners mit zylindrischer Aussenform und nachgeschalteter Mischstrecke beschrieben wird. Zwei beispielhafte verschiedene Ausführungsformen eines umgekehrten Doppelkegelbrenners gemäss der vorliegenden Erfindung sind in den beidenFig. 6 und Fig. 7 dargestellt. In bezug auf die Geometrie und die Dimensionierung einer derartigen Pilotlanze sei insbesondere der Offenbarungsgehalt derEP-A2-0 788 445 explizit in diese Anmeldung eingeschlossen. - Die Brennstofflanze 24 wird vorteilhafterweise in Form von ineinandergeschachtelten, konzentrischen zylindrischen Rohren ausgebildet, wobei im zentralen Rohr mit kleinsten Durchmesser der Pilotbrennstoff (gasförmig oder flüssig) respektive der Ölbrennstoff strömt im Falle von pilotiertem Betrieb respektive Ölbetrieb, während im Zwischenraum zwischen äusserstem Rohr und nächst innenliegendem Rohr der Brennstoff zu Eindüsung über die Brennstoffeindüsungslöcher 25 zugeführt wird. Es ist auch möglich, die einzelnen Brennstoffeindüsungslöcher 25 in individuell ansteuerbare Gruppen aufzuteilen, um gegebenenfalls die Verteilung 12 variabel und den Betriebsverhältnissen des Vormischbrenners einstellen respektive regeln zu können.
- Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in
Fig. 5 dargestellt. Es handelt sich hier um einen Vierschlitzbrenner, d. h. um einen Vormischbrenner, welcher vier konische Elemente aufweist und damit vier Lufteintrittsschlitze 7. Der Brenner weist ausserdem eine nachgeschaltete Mischstrecke 26 auf, welche zylindrisch ausgebildet ist und ausserdem inFig. 5 nicht dargestellte, in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle aufweist. Ein derartiger Brenner ist beispielsweise in derEP-A2-0 704 657 und in derEP-A2-0 780 629 dargestellt. Auch bei derartigen Brennern ergibt sich eine ähnliche Problematik, nämlich dass die Verzugszeitstreuung bei der Brennstoffeindüsung über die Brennstoffdüsen 6 klein ist im Vergleich zur Maximalwert τmax. Die Brennstofflanze 24 ragt in diesem Fall nicht nur über die Länge des konischen Abschnittes in den Brenner, sondern noch weit in den Mischkanal 26 hinein. Grundsätzlich ist es auch in diesem Fall erstrebenswert, die Brennstofflanze so lang zu gestalten, dass wenigstens eine Zeitverzögerung Δτ erreicht wird, welche den halben Maximalwert erreicht oder überschreitet, d. h. Δτ ≥ 0,5 τmax. Dies bedeutet, dass die Lanze 24 eine Länge aufweisen sollte, welche wenigstens der Hälfte der Länge von konischen Anteil + Mischstrecke 26 entspricht. Infolge der grossen Länge der Brennstofflanze 24 kann die Verzugszeitstreuung in einem weiten Bereich variiert werden, was ein stabiles Brennerverhalten über einen erweiterten Betriebsbereich erlaubt. -
- 1
- Doppelkegelbrenner
- 2
- Brennraum
- 3
- Flammfront
- 4
- Wand des Brennraums
- 5
- Stromlinien des Brennstoff/Luft Gemisches
- 6
- Brennstoffdüsen
- 7
- Spalt zwischen den konischen Brennerschalen
- 8
- Innere konische Brennerschale bei 7
- 9
- Äussere konische Brennerschale bei 7
- 10
- Vorderes Ende des Doppelkegelbrenners
- 11
- Konstanter Zeitverzug
- 12
- Zeitverzugsverteilung
- 13
- Unstabiler Bereich hoher Verzugszeiten
- 14
- Stabilisierende Verschiebung nach grossen Verteilungsbreiten
- 15
- Stabilisierende Verschiebung nach kurzen Verzugszeiten
- 16
- Instabiler Bereich kurzer Verzugszeiten
- 17
- Verhalten bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit
- 18
- Verhalten bei mittlerer Strömungsgeschwindigkeit
- 19
- Verhalten bei hoher Strömungsgeschwindigkeit
- 21
- Einstellbarer Zeitverzugsbereich
- 22
- Innenraum
- 23
- Verbrennungsluftstrom
- 24
- Pilotlanze
- 25
- Löcher in Pilotlanze, Brennstoffeindüsungslöcher
- 26
- nachgeschaltete Mischstrecke
- 27
- Brennerbasis
Claims (13)
- Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff in einen Brenner (1), welcher Brenner (1) einen von wenigstens einer Schale (8,9) umschlossenen Innenraum (22) umfasst, bei welchem Brennstoff durch Brennstoffdüsen (6) in einen im Innenraum (22) strömenden Verbrennungsluftstrom (23) eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer Verzugszeit (T) zu einer Flammfront (3) in einen Brennraum (2) strömt, und dort entzündet, wobei der Brennstoff wenigstens teilweise mittels von der Brennerbasis (27) im Wesentlichen in Richtung des Brennraums (2) in den Innenraum (22) ragende Mittel (24) über wenigstens zwei über die Länge der Mittel (24) verteilte Brennstoffeindüsungslöcher (25) in den Verbrennungsluftstrom (23) eingedüst wird wobei der Brenner (1) über eine stromab des Innenraums (22) angeordnete nachgeschaltete Mischstrecke (26) verfügt, wobei die Verzugszeit (T) zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammenfront (3) derart unterschiedlich ist, dass eine Zeitverzugsverteilung (12) über die Brennerlänge (x) von der Brennerbasis (27) zum Brennerende (10) hin vom Maximalwert Tmax um eine maximale Verzugsdifferenz (ΔT) abnehmend zu einem Minimalwert beim Brennerende (10) von Tmax - ΔT gestaltet ist, wobei die Verzugsdifferenz (ΔT) im Bereich von 10-90% des Maximalwerts (Tmax) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24) weit in die Mischstrecke (26) hineinragen.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch verschiedene Brennstoffeindüsungslöcher (25) Brennstoff in verschiedene Stromlinien (5) innerhalb des Brenners (1) eingedüst wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff derart eingedüst wird, dass die Zeitverzugsverteilung (12) über die Brennerlänge (x) zum Brennerende (10) hin vom Maximalwert Tmax um eine maximale Verzugsdifferenz (ΔT) im Wesentlichen linear abnehmend zu einem Minimalwert beim Brennerende (10) von Tmax - ΔT gestaltet ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzugsdifferenz (ΔT) im Bereich von mehr als 50 % des Maximalwerts (Tmax) liegt.
- Brenner (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend einen von wenigstens einer Schale (8,9) umschlossenen Innenraum (22), bei welchem Brenner (1) Brennstoff durch an den Brennerschalen (8,9) angeordnete Brennstoffdüsen (6) in einen im Innenraum (22) strömenden Verbrennungsluftstrom (23) eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer Verzugszeit (T) zu einer Flammfront (3) in einen Brennraum (2) strömt und dort entzündet, und umfassend von der Brennerbasis (27) im wesentlichen in Richtung des Brennraums (2) in den Innenraum (22) ragende Mittel (24) mit Brennstoffeindüsungslöchern (25), wobei die Mittel (24) mindestens zwei uber die Lange der Mittel (24) verteilte Brennstoffeindüsungslöcher (25) aufweisen, über welche Brennstoffeindüsungslöcher (25) ein Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom (23) derart eindüsbar ist, dass die Verzugszeit (T) zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammenfront (3) unterschiedlich ist, wobei der Brenner (1) über eine stromab des Innenraums (22) angeordnete nachgeschaltete Mischstrecke (26) verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24) weit in die Mischstrecke (26) hineinragen.
- Brenner (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mitteln (24) um eine Brennstofflanze handelt, welche im Wesentlichen auf der Achse des Brenners (1) angeordnet ist.
- Brenner (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofflanze (24) im wesentlichen zylindrischen Querschnitt aufweist, wobei die Brennstoffeindüsungslöcher (25) sowohl in Bezug auf die Länge der Brennstofflanze (24) als auch in Bezug auf deren umfangsmässige Anordnung auf der Brennstofflanze (24) verteilt sind.
- Brenner (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch verschiedene Brennstoffeindüsungslöcher (25) Brennstoff in verschiedene Stromlinien (5) innerhalb des Brenners (1) eindüsbar ist.
- Brenner (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mitteln (24) um eine Pilotlanze für den pilotierten Betrieb des Brenners handelt.
- Brenner (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Brenner (1) um einen Kegelbrenner, insbesondere 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.
- Brenner (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Vierschlitzbrenner handelt.
- Brenner (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeindüsungslöcher (25) in Gruppen aufgeteilt sind, wobei jeweils eine Gruppe von Brennstoffeindüsungslöchern (25) derart angeordnet ist, dass alle Düsen (25) der Gruppe einen bestimmten Bereich der Flammfront (3) mit unterschiedlichem Zeitverzug (T) speisen.
- Brenner (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeindüsungslöcher (25) als Gruppen individuell angesteuert werden.
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Families Citing this family (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10164099A1 (de) | 2001-12-24 | 2003-07-03 | Alstom Switzerland Ltd | Brenner mit gestufter Brennstoffeinspritzung |
EP1493972A1 (de) * | 2003-07-04 | 2005-01-05 | Siemens Aktiengesellschaft | Brennereinheit für eine Gasturbine und Gasturbine |
WO2005078348A1 (de) * | 2004-02-12 | 2005-08-25 | Alstom Technology Ltd | Vormischbrenneranordnung zum betreiben einer brennkammer sowie verfahren zum betreiben einer brennkammer |
DE102004049491A1 (de) * | 2004-10-11 | 2006-04-20 | Alstom Technology Ltd | Vormischbrenner |
CN101069039B (zh) * | 2004-11-30 | 2011-10-19 | 阿尔斯托姆科技有限公司 | 用于在预混合燃烧器中燃烧氢气的方法和设备 |
DE102005015152A1 (de) * | 2005-03-31 | 2006-10-05 | Alstom Technology Ltd. | Vormischbrenner für eine Gasturbinenbrennkammer |
RU2300702C1 (ru) | 2006-04-04 | 2007-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "ЭСТ" | Способ сжигания топлива и устройство для его осуществления |
WO2009019113A2 (de) * | 2007-08-07 | 2009-02-12 | Alstom Technology Ltd | Brenner für eine brennkammer einer turbogruppe |
EP2058590B1 (de) * | 2007-11-09 | 2016-03-23 | Alstom Technology Ltd | Verfahren zum Betrieb eines Brenners |
EP2225488B1 (de) | 2007-11-27 | 2013-07-17 | Alstom Technology Ltd | Vormischbrenner für eine gasturbine |
US8028512B2 (en) | 2007-11-28 | 2011-10-04 | Solar Turbines Inc. | Active combustion control for a turbine engine |
EP2090830B1 (de) * | 2008-02-13 | 2017-01-18 | General Electric Technology GmbH | Brennstoffzufuhranordnung |
EP2208927B1 (de) | 2009-01-15 | 2016-03-23 | Alstom Technology Ltd | Brenner einer Gasturbine |
US8863525B2 (en) | 2011-01-03 | 2014-10-21 | General Electric Company | Combustor with fuel staggering for flame holding mitigation |
ITMI20122154A1 (it) * | 2012-12-17 | 2014-06-18 | Ansaldo Energia Spa | Gruppo bruciatore, camera di combustione comprendente detto gruppo bruciatore e metodo per alimentare detto gruppo bruciatore |
US11774093B2 (en) | 2020-04-08 | 2023-10-03 | General Electric Company | Burner cooling structures |
EP4337890A1 (de) * | 2021-05-12 | 2024-03-20 | Nuovo Pignone Tecnologie S.r.l. | Kraftstoffeinspritzdüse und kraftstoffdüse für eine gasturbine und gasturbinenmotor mit der düse |
Family Cites Families (24)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0122526B1 (de) * | 1983-04-13 | 1987-05-20 | BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie. | Brennstofflanze für die Brennkammer einer Gasturbine |
EP0210462B1 (de) | 1985-07-30 | 1989-03-15 | BBC Brown Boveri AG | Dualbrenner |
CH674561A5 (de) | 1987-12-21 | 1990-06-15 | Bbc Brown Boveri & Cie | |
US5307634A (en) * | 1992-02-26 | 1994-05-03 | United Technologies Corporation | Premix gas nozzle |
DE59209209D1 (de) * | 1992-10-16 | 1998-04-02 | Asea Brown Boveri | Gasbetriebener Vormischbrenner |
DE4304213A1 (de) * | 1993-02-12 | 1994-08-18 | Abb Research Ltd | Brenner zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, einer Brennkammer einer Gasturbogruppe oder Feuerungsanlage |
DE4435266A1 (de) | 1994-10-01 | 1996-04-04 | Abb Management Ag | Brenner |
US5943866A (en) * | 1994-10-03 | 1999-08-31 | General Electric Company | Dynamically uncoupled low NOx combustor having multiple premixers with axial staging |
DE4441235A1 (de) * | 1994-11-19 | 1996-05-23 | Abb Management Ag | Brennkammer mit Mehrstufenverbrennung |
DE19545310B4 (de) * | 1995-12-05 | 2008-06-26 | Alstom | Vormischbrenner |
DE19545309A1 (de) | 1995-12-05 | 1997-06-12 | Asea Brown Boveri | Vormischbrenner |
DE19547913A1 (de) | 1995-12-21 | 1997-06-26 | Abb Research Ltd | Brenner für einen Wärmeerzeuger |
EP0925472B1 (de) * | 1996-09-16 | 2001-04-04 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zur unterdrückung von verbrennungsschwingungen und einrichtung zur verbrennung von brennstoff mit luft |
DE19640198A1 (de) | 1996-09-30 | 1998-04-02 | Abb Research Ltd | Vormischbrenner |
DE19721937B4 (de) | 1997-05-26 | 2008-12-11 | Alstom | Vormischbrenner zum Betrieb eines Aggregates zur Erzeugung eines Heissgases |
EP0918152A1 (de) | 1997-11-24 | 1999-05-26 | Abb Research Ltd. | Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle thermoakustischer Schwingungen in einem Verbrennungssystem |
US6270337B1 (en) * | 1998-06-12 | 2001-08-07 | Precision Combustion, Inc. | Dry, low NOx pilot |
EP0999367B1 (de) | 1998-11-06 | 2003-02-12 | ALSTOM (Switzerland) Ltd | Strömungskanal mit Querschnittssprung |
DE59811961D1 (de) * | 1998-11-09 | 2004-10-21 | Alstom Technology Ltd Baden | Brenner |
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DE10055408A1 (de) * | 2000-11-09 | 2002-05-23 | Alstom Switzerland Ltd | Verfahren zur Brenstoffeinspritzung in einen Brenner |
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