EP1706672A1 - Vormischbrenneranordnung zum betreiben einer brennkammer sowie verfahren zum betreiben einer brennkammer - Google Patents

Vormischbrenneranordnung zum betreiben einer brennkammer sowie verfahren zum betreiben einer brennkammer

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EP1706672A1
EP1706672A1 EP05701493A EP05701493A EP1706672A1 EP 1706672 A1 EP1706672 A1 EP 1706672A1 EP 05701493 A EP05701493 A EP 05701493A EP 05701493 A EP05701493 A EP 05701493A EP 1706672 A1 EP1706672 A1 EP 1706672A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
swirl
section
contour
burner
Prior art date
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Granted
Application number
EP05701493A
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English (en)
French (fr)
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EP1706672B1 (de
Inventor
Dr. Peter Flohr
Prof. Dr. Christian Oliver PASCHEREIT
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GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP1706672B1 publication Critical patent/EP1706672B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2209/00—Safety arrangements
    • F23D2209/20—Flame lift-off / stability

Definitions

  • the invention relates to a premix burner and a method for operating a combustion chamber with a liquid and / or gaseous fuel with a swirl generator for a combustion supply air flow to form a swirl flow and means for injecting fuel into the swirl flow, the swirl generator being indirect via a mixing zone or directly adjacent to the combustion chamber in each case via a burner outlet, a cross-sectional widening which is unstable in the flow direction of the swirl flow being provided at the burner outlet and through which the swirl flow bursts open with the formation of a return flow zone.
  • Premix burners of the aforementioned type are known from a large number of previously published documents, for example from EP A1 0210462 and EP B1 0 321 809, to name just a few.
  • Premix burners of this type are based on the general principle of operation, within a swirl generator, which is usually in the form of a cone and which provides at least two partial cone shells composed with a corresponding overlap, to produce a swirl flow consisting of a fuel-air mixture, which within a in the direction of flow, the combustion chamber following the premix burner is ignited to form a spatially stable premix flame.
  • the spatial position of the premixing flame is determined by the aerodynamic behavior of the swirl flow, the swirl number of which increases with increasing propagation along the burner axis, so that it becomes unstable and ultimately bursts due to an unstable cross-sectional transition between burner and combustion chamber into an annular swirl flow with the formation of a backflow zone in the latter the premix flame forms in the front area.
  • the vortex backflow zone has only limited stability properties, which is why a large number of proposals have already been made to improve the stability properties of such backflow zones.
  • the axial profile of the swirl flow generated by the swirl body should be low-swirl in the center, that is to say in the region of the burner axis, and there should also be an excess of axial speed there.
  • the double-cone burner described in this document is shown schematically in FIG. 2 in the form of a longitudinal section and has a conical swirl generator 1, the two conical shells of which one inside the other each include two air inlet slots 2.
  • the swirl generator 1 opens directly into the combustion chamber 4 at the burner outlet 3 via an inconsistent cross-sectional widening.
  • the tangential feed of the combustion supply air along the air inlet slots 2 produces a swirl flow which spreads in the axial flow direction with increasing swirl around the axial direction of the swirl generator. Due to the increasing swirl along the axial flow direction, the instability of the swirl flow increases and changes into an annular swirl flow with backflow.
  • a backflow zone 5 is formed essentially within the combustion chamber 4 in the area of the burner outlet 3, with a front or a stagnation point 6 in the direction of flow, the axial position of which, relative to the premix burner 1, is essentially determined by the cone angle 2 ⁇ and the slot width of the air inlet slots 2 is determined.
  • the size and appearance of the backflow zone 5 can essentially be determined by the size selection of the above geometric values.
  • the premixing flame 7 is formed within the backflow zone 5 and stabilizes at the front area of the inner backflow zone 5.
  • the premixing burner described above is used to generate hot gases for driving a gas turbine system, it is important to keep the pressure loss across the burner as low as possible for reasons of optimizing the efficiency of the gas turbine system. Since the number of swirls and the pressure loss are directly proportional to one another, the lowest possible number of swirls within the swirling flow is desired, which should be chosen so large that an inner backflow zone is formed.
  • the invention has for its object to develop a premix burner according to the features of the preamble of claim 1 such that, on the one hand, the aerodynamic stability of the inner return flow zone, in particular in the region of the front stagnation point, is to be increased without having to accept any significant additional burner pressure loss. Furthermore, it is necessary to specify a corresponding method for operating a combustion chamber, which is intended both to avoid the occurrence of thermoacoustic vibrations and to attempt to achieve the lowest possible loss of burner pressure.
  • the premix burner according to the invention is based on the idea that the aerodynamic stability of the free inner backflow zone can be increased by locally increasing the swirl gradient of the swirl flow in the direction of flow in front of the backflow zone which is formed. Due to the local increase in the swirl gradient, i.e. along the axially spreading swirl flow within the premix burner, it is necessary to increase the swirl number in the axial flow direction spatially limited from an initial swirl number to a larger swirl number and then immediately to the initial swirl number or a smaller swirl number compared to this. It turns out that with the measure according to the invention the total burner pressure loss is only insignificant is increased, resulting in no or very little impact on the overall efficiency of a gas turbine.
  • a premix burner with the features of the preamble of claim 1 is characterized in that upstream of the burner outlet there is a contour that tapers locally in the flow direction of the swirl generator or, if present, the mixing zone in the flow direction.
  • This contour which tapers the flow cross-section locally, advantageously has a longitudinal section oriented in the flow direction, which is comparable to that of a Venturi nozzle arrangement, i. H. the contour has a first gate section in the flow direction, which continuously reduces the flow cross-section, which continuously merges into a second gate section with a smallest flow cross-section, which is followed in the flow direction by a third gate section which increases the flow cross-section again.
  • the contour tapering the flow cross section along the burner axis within the premix burner advantageously has to be positioned in such a way that the contour is provided in the area of the foremost front, preferably in the direction of flow directly in front of the backflow zone that is formed.
  • the premix burner is a double-cone burner, the swirl generator of which essentially consists of two partial cone shells placed one inside the other, and furthermore, no further mixing tube is provided between the double-cone burner and the combustion chamber, so that the swirl generator with its burner outlet directly into the combustion chamber via an inconsistent cross-sectional expansion ends
  • the arrangement according to the invention which on the one hand can be added as an additional form at a suitable axial point along the inner circumferential edge of the two partial cone shells, which makes it possible to retrovistatize, or which is already integrally formed in the inner side of both partial cone shells, for one elliptical cross-sectional shape at the location of the narrowest or smallest flow cross-section due to the contour.
  • the measure according to the invention can also be used in premix burner systems whose swirl generators are composed of more than two partial cone shells or provide a mixing tube as an additional mixing zone between the swirl generator and the combustion chamber. If mixing tubes are provided, the contour tapering the flow cross section must be provided in the inner wall area of the mixing tube near the burner outlet at the transition to the combustion chamber.
  • the concept of local flow cross-section tapering according to the invention for the purpose of aerodynamically stabilizing the backflow zone that forms within a premix burner, which is preferably used to operate a combustion chamber that is used to fire a gas turbine system, is based on the procedural idea of aerodynamic conditions at the location of the foremost stagnation point of the backflow zone to create, which prevent an axial migration of the stagnation point.
  • the swirl flow oriented in the axial flow direction is caused by the contour-related nozzle effect accelerated within the premix burner, for example within the swirl generator axially in front of the foremost stagnation point of the return flow zone and likewise decelerated in the flow direction before the stagnation point of the return flow zone in such a way that the greatest possible velocity gradient with reversal of the flow direction prevails at the axial location of the stagnation point.
  • This can be achieved by a convergent and divergent flow routing that is specifically located in front of the location of the stagnation point. Further details can be found in the description of the exemplary embodiments below.
  • FIG. 1 is a schematic partial longitudinal sectional view through a swirl generator
  • FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view through a premix burner with a combustion chamber
  • 5 shows a diagram to show the pressure fluctuations at low temperatures
  • FIG. 6 shows a diagram with emission values.
  • Figure 1 shows a schematic section of a longitudinal section through a swirl generator of a double-cone premix burner with a burner wall 8 which includes a half cone angle v with the burner axis A.
  • a contour 9 tapering the axial flow cross section is provided on the inside of the burner wall 8.
  • the contour 9 reduces the flow cross section along the burner axis A within a local area 10 such that the shape and size of the burner outlet 3 are not affected by the contour 9.
  • the contour 9 has a first link section 91, through which the flow cross section is continuously reduced.
  • a second link section 92 which specifies the smallest flow cross section.
  • the second link section 92 is preferably only point-shaped or line-shaped.
  • the area of the smallest flow cross section is followed downstream by a third link section 93, through which the flow cross section is widened again, preferably to a degree that is predetermined by the burner wall 8 on the outlet side.
  • the contour 9 tapering the flow cross section runs in the circumferential direction in a largely closed manner to the two partial cone shells, so that the interaction of the contours 9 respectively attached to both partial cone shells forms a flow backdrop which corresponds to that of a Venturi nozzle.
  • R1 radial distance between the central axis of a partial cone shell and the surface of the contour at location x along the central axis
  • RB radial distance between the central axis of a partial cone shell and the surface of the original partial cone shell at location x along the central axis
  • R2 elevation of the contour measured from the surface the partial cone shell at location x along the central axis
  • ⁇ angle between a tangential surface on the contour and the central axis of the partial cone shell at location x along the central axis
  • Y half the cone angle.
  • burner axis and central axis of the respective partial cone shells
  • each individual partial cone shell has an associated partial cone center axis, in short the central axis of the respective partial cone shell. Due to the spatial arrangement of the partial cone shells, these corresponding central axes do not coincide. For the above design parameter requirements, however, the corresponding central axes of the partial cone shells must be raised.
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a double-cone burner in the region of the narrowest flow cross-section 92 due to the contour.
  • Both partial cone shells 10, 11 each have associated central axes M11, M12 and are set one inside the other in such a way that they enclose two opposing tangential air inlet slots 2.
  • Due to the contours 9, the entire flow cross section is narrowed by the swirl generator in the manner of an ellipse (dashed line).
  • Such an elliptical flow cross-section advantageously has aerodynamically stabilizing effects on the burner behavior over a wide operating range.
  • the contours 9 in these areas are thinned out in accordance with the flow, so as not to ultimately reduce the slot width.
  • FIG. 4 shows a diagram to illustrate the axial speed profile through the premix burner or swirl generator.
  • the x-axis corresponds to the burner axis
  • the y-axis the flow velocity u of the burner flow oriented in the axial flow direction.
  • the contour 9 according to the invention which locally narrows the flow cross-section (see solid line)
  • the axial flow velocity within the premix burner increases is slowed down due to increasing flow instability and, not least because of the irregular cross-sectional expansion at the burner outlet, there is a local flow reversal (see location of the Stagnation point 6), whereby the above-mentioned backflow zone (5) is formed.
  • the contour 9 which is also shown schematically above the diagram and which narrows the flow cross section, is used Due to the Bernoulli effect, the flow velocity initially accelerates in the x-direction and, after exceeding the area with the smallest flow cross-section, leads to an efficient flow deceleration, as a result of which the velocity profile experiences a larger gradient, particularly in the front stagnation point 6 (see dashed line). This local increase in the speed or swirl gradient due to the convergent divergent flow control increases the aerodynamic stability of the stagnation point 6 without having to accept significant burner pressure losses.
  • FIG. 5 shows a diagram for this purpose, along the x-axis the flame temperature and along the y-axis the strength of pressure fluctuations in a standardized representation.
  • the line with the square markings corresponds to the operation of a premix burner with contouring according to the invention
  • the graph with diamonds corresponds to a conventional premix burner. It is very clearly shown that, especially at low flame temperatures, far lower pressure fluctuations occur in the premix burner designed according to the invention than in a conventional one.

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Description

Vormischbrenneranordnung zum Betreiben einer Brennkammer sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Vormischbrenner sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff mit einem Drallerzeuger für einen Verbrennungszuluftstrom zur Ausbildung einer Drallströmung sowie Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff in die Drallströmung, wobei der Drallerzeuger mittelbar über eine Mischzone oder unmittelbar an die Brennkammer jeweils über einen Brenneraustritt angrenzt, wobei am Brenneraustritt eine in Strömungsrichtung der Drallströmung unstete Querschnittserweiterung vorgesehen ist, durch die die Drallströmung unter Ausbildung einer Rückströmzone aufplatzt.
Stand der Technik
Vormischbrenner der vorstehend genannten Gattung sind aus einer Vielzahl vorveröffentlichter Druckschriften bekannt, so bspw. aus der EP A1 0210462 sowie der EP B1 0 321 809, um nur einige zu nennen. Vormischbrennern dieser Art liegt das allgemeine Wirkprinzip zugrunde, innerhalb eines zumeist als kegelförmig ausgebildeten Drallerzeugers, der wenigstens zwei mit entsprechend gegenseitiger Überlappung zusammengesetzte Teilkegelschalen vorsieht, eine aus einem Brennstoff-Luftgemisch bestehende Drallströmung zu erzeugen, die innerhalb einer in Strömungsrichtung dem Vormischbrenner nachfolgenden Brennkammer unter Ausbildung einer räumlich möglichst stabilen Vormischflamme zur Zündung gebracht wird. Hierbei ist die räumliche Lage der Vormischflamme bestimmt durch das aerodynamische Verhalten der Drallströmung, deren Drallzahl mit zunehmender Ausbreitung längs der Brennerachse zunimmt, damit instabil wird und letztlich durch einen unsteten Querschnittsübergang zwischen Brenner und Brennkammer in eine annulare Drallströmung unter Ausbildung einer Rückströmzone aufplatzt, in deren vorderen Bereich sich die Vormischflamme ausbildet.
Es zeigt sich jedoch, dass die Wirbel rückströmzone über nur bedingt gute Stabilitätseigenschaften verfügt, weshalb bereits eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht worden, die Stabilitätseigenschaften derartiger Rückströmzonen zu verbessern. Im Wesentlichen gilt für eine möglichst stabile Wirbelrückströmzone, dass das axiale Profil der vom Drallkörper erzeugten Drallströmung im Zentrum, also im Bereich der Brennerachse, drallarm sein sollte und überdies sollte dort ein Axialgeschwindigkeitsüberschuss vorhanden sein. Diese Überlegungen haben zu einem Brenner gemäß der EP 0321 809 B1 geführt.
Der in dieser Druckschrift beschriebene Doppelkegelbrenner ist in Figur 2 in schematisierter Weise in Form einer Längsschnittdarstellung gezeigt und weist einen kegelförmig ausgebildeten Drallerzeuger 1 auf, deren beide ineinander gesetzte Teilkegelschalen jeweils zwei Lufteintrittsschlitze 2 einschließen. Der Drallerzeuger 1 mündet am Brenneraustritt 3 über eine unstete Querschnittserweiterung direkt in die Brennkammer 4. Durch die tangentiale Einspeisung der Verbrennungszuluft längs der Lufteintrittsschlitze 2 wird eine Drallströmung erzeugt, die sich in axialer Strömungsrichtung mit zunehmendem Drall um die Axialrichtung des Drallerzeugers ausbreitet. Aufgrund des zunehmenden Dralls längs der axialen Strömungsrichtung nimmt die Instabilität der Drallströmung zu und geht in eine annulare Drallströmung mit Rückströmung über. Es bildet sich im Wesentlichen innerhalb der Brennkammer 4 im Bereich des Brenneraustrittes 3 eine Rückströmungszone 5 aus mit einer in Strömungsrichtung vorderen Front bzw. einem vorderen Staupunkt 6, dessen axiale Lage relativ zum Vormischbrenner 1 im Wesentlichen durch den Kegelwinkel 2γ und die Schlitzbreite der Lufteintrittsschlitze 2 bestimmt wird. Durch die Größenwahl der vorstehenden Geometriewerte können Größe und Aussehen der Rückströmzone 5 im Wesentlichen bestimmt werden.
Innerhalb der Rückströmzone 5 bildet sich die Vormischflamme 7 aus, die sich am vorderen Bereich der inneren Rückströmzone 5 stabilisiert.
Untersuchungen der Stabilität einer derartigen Flamme 7 haben ergeben, dass die aerodynamische Stabilität der inneren Rezirkulations- bzw. Rückströmzone 5 entscheidenden Einfluss auf Lage, Form und Größe der Vormischflamme 7 haben.
Dient der vorstehend beschriebene Vormischbrenner zur Erzeugung von Heißgasen zum Antrieb einer Gasturbinenanlage, so gilt es aus Gründen der Optimierung des Wirkungsgrades der Gasturbineanlage den Druckverlust über den Brenner möglichst niedrig zu halten. Da Drallzahl und Druckverlust in direkter Proportionalität zueinander stehen, ist eine möglichst niedrige Drallzahl innerhalb der Drallströmung gewünscht, die gerade so gross gewählt sein sollte, dass sich eine innere Rückströmzone ausbildet.
Andererseits ist anzustreben, den vorderen Staupunkt 6 der Rückströmzone 5 aerodynamisch möglichst stabil zu halten, um zu verhindern, dass die mit dem vorderen Staupunkt 6 verankerte Vormischflammenfront durch starke Variation der Flammenposition thermoakustische Instabilitäten hervorruft, durch die nicht nur der Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage nachhaltig beeinflusst wird, sondern überdies erhebliche Materialbeanspruchungen an nahezu allen mit den Heißgasen in unmittelbaren Kontakt tretenden Komponenten der Gasturbinenanlage hervorrufen, wodurch letztlich die Gesamtlebensdauer der Anlage reduziert wird. Der Wunsch nach einer möglichst hohen aerodynamischen Stabilität der Flammenvorderfront innerhalb der Rückströmzone steht jedoch im Widerspruch mit der wirkungsgradbedingten Drallzahlverringerung, die zu kleineren Drallgradienten im Brenner führt, insbesondere am Ort des vorderen Staupunktes 6. Ein kleinerer Drallgradient impliziert jedoch eine größere Auslenkung des Staupunktes in Strömungsrichtung bei möglicherweise auftretenden Störungen und unterstützt die vorstehend beschriebene Ausbildung thermoakustischer Instabilitäten.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Vormischbrenner gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart weiterzubilden, dass einerseits die aerodynamische Stabilität der inneren Rückströmzone insbesondere im Bereich des vorderen Staupunktes erhöht werden soll, ohne dabei einen nennenswerten zusätzlichen Brennerdruckverlust in Kauf nehmen zu müssen. Femer gilt es ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer anzugeben, das sowohl der Vermeidung des Auftretens thermoakustischer Schwingungen, als auch dem Bestreben einen möglichst geringen Brennerdruckverlust zu erzielen dienen soll.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Anspruches 11. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind dem Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Dem erfinduπgsgemäßen Vormischbrenner liegt die Idee zugrunde, dass sich die aerodynamische Stabilität der freien inneren Rückströmzone dadurch erhöhen lässt, indem in Strömungsrichtung vor der sich ausbildenden Rückströmzone der Drallgradient der Drallströmung lokal vergrößert wird. Durch die lediglich lokale Vergrößerung des Drallgradienten, d. h. längs der sich axial ausbreitenden Drallströmung innerhalb des Vormischbrenners gilt es die Drallzahl in axialer Strömungsrichtung räumlich begrenzt von einer Ausgangsdrallzahl auf eine größere Drallzahl anzuheben und unmittelbar anschließend auf die Ausgangsdrallzahl oder einer verglichen zu dieser kleineren Drallzahl abzusenken. Es zeigt sich, dass mit der erfindungsgemäßen Maßnahme der Brennergesamtdruckverlust nur unwesentlich erhöht wird, wodurch sich keinerlei oder nur sehr geringe Auswirkungen auf den Gesamtwirkungsgrad einer Gasturbine ergeben.
Erfiπdungsgemäß zeichnet sich somit ein Vormischbrenner mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch aus, dass stromauf des Brenneraustrittes eine den Strömungsquerschnitt des Drallerzeugers oder falls vorhanden der Mischzone in Strömungsrichtung lokal verjüngende Kontur vorgesehen ist.
Diese, den Strömungsquerschnitt lokal verjüngende Kontur weist in vorteilhafter Weise einen in Strömungsrichtung orientierten Längsschnitt auf, der vergleichbar jenem einer Venturidüsenanordnung entspricht, d. h. die Kontur weist in Strömungsrichtung einen ersten, den Strömungsquerschnitt stetig verkleinernden Kulissenabschnitt auf, der kontinuierlich in einen zweiten Kulissenabschnitt mit einem geringsten Strömungsquerschnitt übergeht, an dem sich in Strömungsrichtung ein dritter, den Strömungsquerschnitt wieder stetig vergrößernder Kulissenabschnitt anschließt. Durch das Vorsehen einer, den Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung lokal verjüngenden Kontur wird die Drall- bzw. Brennerströmung im Bereich des ersten Kulissenabschnittes aufgrund der stetigen Strömungsquerschnittsverringerung nach der Strömungsbeziehungen von Bemoulli beschleunigt und nach Passieren des Bereiches mit dem geringsten Strömungsquerschnitt entsprechend verzögert.
Aufgrund dieser konvergent- divergenten Strömungsführung längs der Brennerachse in Strömungsrichtung durch die den Strömungsquerschnitt verjüngende Kontur wird der Drallgradient lokal erhöht, wodurch sich wiederum die aerodynamische Stabilität der sich ausbildenden Vorderfront der Rückströmzone verbessert. Wesentlich dabei ist, dass aufgrund einer unveränderten Brennerkontur am Brenneraustritt, zumal sich die Kontur stromauf des Brenneraustrittes befindet, der Brennerdruckverlust nur unwesentlich beeinflusst wird. Eine Beeinträchtigung des Gesamtwirkungsgrades einer Gasturbine kann hierdurch weitgehend vermieden werden. In vorteilhafter Weise gilt es die den Strömungsquerschnitt verjüngende Kontur längs der Brennerachse innerhalb des Vormischbrenners derart zu positionieren, dass die Kontur im Bereich der vordersten Front, vorzugsweise in Strömungsrichtung unmittelbar vor der sich ausbildenden Rückströmzone vorgesehen wird.
Handelt es sich bei dem Vormischbrenner um einen Doppelkegelbrenner, dessen Drallerzeuger im Wesentlichen aus zwei ineinander gesetzte Teilkegelschalen besteht, und ist ferner zwischen dem Doppelkegelbrenner und der Brennkammer kein weiteres Mischrohr vorgesehen, so dass der Drallerzeuger mit seinem Brenneraustritt unmittelbar in die Brennkammer über eine unstete Querschnittserweiterung mündet, so bewirkt die erfindungsgemäße Vorkehrung, die einerseits als Zusatzform an geeigneter axialer Stelle längs des Innenumfangsrandes beider Teilkegelschalen zusätzlich angefügt werden kann, wodurch die Möglichkeit einer Retrovistierbarkeit gegeben ist, oder die formgebend bereits in die innwandige Seite beider Teilkegelschalen einstückig eingearbeitet ist, für eine elliptische Querschnittsformgebung am Ort des durch die Kontur bedingten engsten bzw. kleinsten Strömungsquerschnitt. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Maßnahme auch bei Vormischbrennersystemen anwendbar, deren Drallerzeuger aus mehr als zwei Teilkegelschalen zusammengefügt sind oder zwischen Drallerzeuger und Brennkammer ein Mischrohr als zusätzliche Mischzone vorsehen. Im Falle des Vorsehens von Mischrohren ist die den Strömungsquerschnitt verjüngende Kontur im Innenwandbereich des Mischrohres nahe des Brenneraustrittes am Übergang zur Brennkammer vorzusehen.
Dem erfindungsgemäßen Konzept der lokalen Strömungsquerschnittverjüngung zum Zwecke der aerodynamischen Stabilisierung der sich ausbildenden Rückströmzone innerhalb eines Vormischbrenners, der vorzugsweise zum Betrieb einer Brennkammer verwendet wird, die zur Befeuerung einer Gasturbinenanlage dient, liegt der verfahrenstechnische Gedanke zugrunde, am Ort des vordersten Staupunktes der Rückströmzone aerodynamische Verhältnisse zu schaffen, die ein axiales Auswandern des Staupunktes verhindern. Hierzu wird die in axiale Strömungsrichtung orientierte Drallströmung durch den konturbedingten Düseneffekt innerhalb des Vormischbrenners, bspw. innerhalb des Drallerzeugers axial vor dem vordersten Staupunkt der Rückströmzone beschleunigt und ebenfalls in Strömungsrichtung vor dem Staupunkt der Rückströmzone derart verzögert, dass am axialen Ort des Staupunktes ein möglichst großer Geschwindigkeitsgradient mit Strömungsrichtungsumkehr vorherrscht. Dies kann durch eine gezielt vor dem Ort des Staupunktes liegende konvergente und divergente Strömungsführung erreicht werden. Weitere Einzelheiten sind der Beschreibung zu den Ausführungsbeispielen im weiteren zu entnehmen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisierte Teil-Längsschnittdarstellung durch einen Drallerzeuger, Fig. 2 schematisierte Längsschnittdarstellung durch einen Vormischbrenner mit Brennkammer, Fig. 3 Querschnittsdarstellung durch einen Drallerzeuger am Ort des geringsten Strömuπgsquerschnittes, Fig. 4 Diagrammdarstellung des Geschwindigkeitsgradienten in Strömungsrichtung längs der den Strömungsquerschnitt verjüngenden Kulisse, Fig. 5 Diagramm zur Darstellung der Druckfluktuationen bei niedrigen Temperaturen sowie Fig. 6 Diagrammdarstellung mit Emissionswerten. Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Figur 1 zeigt einen schematisierten Ausschnitt eines Längsschnittes durch einen Drallerzeuger eines Doppelkegelvormischbrenners mit einer Brennerwand 8 die mit der Brennerachse A einen hälftigen Kegelwinkel v einschließt. Vor Brenneraustritt 3 ist innwandig an der Brennerwand 8 eine den axialen Strömungsquerschnitt verjüngende Kontur 9 vorgesehen. Die Kontur 9 verkleinert den Strömungsquerschnitt längs zur Brennerachse A innerhalb eines lokalen Bereiches 10 derart, dass Form und Größe des Brenneraustritts 3 durch die Kontur 9 nicht beeinträchtigt sind. Die Kontur 9 weist einen ersten Kulissenabschnitt 91 auf, durch den der Strömungsquerschnitt stetig verkleinert wird. Unmittelbar an den ersten Kulissenabschnitt 91 schließt sich ein zweiter Kulissenabschnitt 92 an, der den kleinsten Strömungsquerschnitt vorgibt. Vorzugsweise ist der zweite Kulissenabschnitt 92 lediglich punkt- bzw. linienförmig ausgebildet. An den Bereich des kleinsten Strömungsquerschnitts schließt sich stromab ein dritter Kulissenabschnitt 93 an, durch den der Strömungsquerschnitt wieder aufgeweitet wird, vorzugsweise bis auf ein Maß, das durch die Brennerwand 8 austrittsseitig vorgegeben ist.
Die den Strömungsquerschnitt verjüngende Kontur 9 läuft im Falle eines Doppelkegelbrenners in Umfangsrichtung zu beiden Teilkegelschalen annular weitgehend geschlossen um, so dass durch das Zusammenwirken der jeweils an beiden Teilkegelschalen angebrachten Konturen 9 eine Strömungskulisse gebildet wird, die jener einer Venturidüse entspricht.
Detailliertere Angaben hinsichtlich Ausbildung und Anordnung der Kontur 9 innerhalb des Vormischbrenners leiten sich aus theoretischen Überlegungen sowie experimentellen Beobachtungen ab. Geht man in Bezug auf Figur 1 davon aus, dass die Brennerachse A in Strömungsrichtung als x-Achse angesehen wird, so ergeben sich bezogen zur x-Achse folgende beispielhafte Designparameterforderungen:
0,5 ≤ R1(x)/RB(x) ≤ 1 0,5 ≤ R2(x)/RB(x) < 2 und
Y < α < 40 ° mit x: Orts-Koordinate längs der Mittelachse einer Teilkegelschale
R1 : radialer Abstand zwischen der Mittelachse einer Teilkegelschale und der Oberfläche der Kontur am Ort x längs der Mittelachse RB: radialer Abstand zwischen der Mittelachse einer Teilkegelschale und der Oberfläche der ursprünglichen Teilkegelschale am Ort x längs der Mittelachse R2: Überhöhung der Kontur gemessen von der Oberfläche der Teilkegelschale am Ort x längs der Mittelachse α: Winkel zwischen einer Tangentialoberfläche an der Kontur und der Mittelachse der Teilkegelschale am Ort x längs der Mittelachse Y: halber Kegelwinkel.
Zu den Begriffen „Brennerachse" und Mittelachse der jeweiligen Teilkegelschalen sei angemerkt, dass aus Gründen einer vereinfachten Beschreibung hinsichtlich des Strömungsverhaltens innerhalb des Drallerzeugers lediglich von einer Brennerachse A gesprochen wird. Aufgrund der Mehrteiligkeit des Drallerzeugers, der zwei oder mehr ineinander greifende Teilkegelschalen vorsieht, weist jedoch jede einzelnen Teilkegelschale eine ihr zugeordnete Teilkegelmittelachse auf, kurz Mittelachse der jeweiligen Teilkegelschale. Durch die räumliche Anordnung der Teilkegelschalen fallen diese entsprechenden Mittelachsen nicht zusammen. Für die vorstehenden Designparameterforderungen muss jedoch auf die entsprechenden Mittelachsen der Teilkegelschalen abgehoben werden.
Auf die Beschreibung von Figur 2 ist bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich eingegangen worden, so dass auf eine nochmalige Beschreibung an dieser Stelle verzichtet wird. Figur 3 zeigt einen schematisierten Querschnitt durch einen Doppelkegelbrenner im Bereich des konturbedingten engsten Strömungsquerschnittes 92. Beide Teilkegelschalen 10, 11 weisen jeweils ihnen zugehörige Mittelachsen M11, M12 auf und sind derart ineinander gesetzt, dass sie zwei gegenüberliegende tangential verlaufende Lufteintrittsschlitze 2 miteinander einschließen. Bedingt durch die Konturen 9 wird der gesamte Strömungsquerschnitt durch den Drallerzeuger in Art einer Ellipsenform (strichlierter Linienzug) eingeengt. Ein derartig elliptischer Strömungsquerschnitt hat in vorteilhafter Weise aerodynamisch stabilisierende Auswirkungen auf das Brennerverhalten über einen weiten Betriebsbereich. Zur Vermeidung einer Beeinträchtigung des Einströmverhaltens an den Lufteintrittsschlitzen 2 sind die Konturen 9 in diesen Bereichen strömungsgünstig entsprechend ausgedünnt, um letztlich die Schlitzweite nicht zu verringern.
In Figur 4 ist ein Diagramm zur Verdeutlichung des axialen Geschwindigkeitsprofils durch den Vormischbrenner bzw. Drallerzeuger dargestellt. Die x-Achse entspricht der Brennerachse, die y-Achse die in axialer Strömungsrichtung orientierte Strömungsgeschwindigkeit u der Brennerströmung. Im Falle einer konventionellen Brenneranordnung, d. h. ohne die Verwendung der erfindungsgemäßen, den Strömungsquerschnitt lokal verjüngenden Kontur 9 (siehe durchgezogene Linie) steigt die axiale Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Vormischbrenners an, wird aufgrund zunehmender Strömungsinstabilität abgebremst und es erfolgt nicht zuletzt bedingt durch die unstete Querschnittserweiterung am Brenneraustritt eine lokale Strömungsumkehr (siehe Lage des Staupunktes 6), wodurch sich die vorstehend bereits erwähnte Rückströmzone (5) ausbildet.
Um den vordersten Staupunkt 6 der Rückströmzone 5 zu stabilisieren, d. h. bezogen zur x-Achse möglichst unverändert zu lassen, hat sich gezeigt, dass durch eine lokale Strömungsgeschwindigkeitserhöhung sowie deutlichere Geschwindigkeitsverzögerung am Ort des Staupunktes 6 ein größerer Geschwindigkeitsgradient erreicht werden kann, der die Lagestabilität des Staupunktes 6 erheblich verbessert. Hierzu dient die ebenfalls über dem Diagramm schematisch dargestellte, den Strömungsquerschnitt verjüngende Kontur 9, die aufgrund des Bernoullieffektes zunächst zu einer Beschleunigung der Strömungsgeschwindigkeit in x-Richtung und nach Überschreiten des Bereiches mit dem geringsten Strömungsquerschnitt zu einer effizienten Strömungsverzögerung führt, wodurch das Geschwindigkeitsprofil einen größeren Gradienten, insbesondere im vorderen Staupunkt 6 erfährt (siehe strichlierte Linie). Durch diese lokale Erhöhung des Geschwindigkeits- bzw. auch Drallgradientens durch die konvergent divergente Strömungsführung erhöht sich die aerodynamische Stabilität des Staupunktes 6 ohne dabei nennenswerte Brennerdruckverluste in Kauf nehmen zu müssen.
Die Durchführung von atmosphärischen Verbrennungstests mit jeweils zwei baugleichen Brennern mit und ohne Konturierung haben ergeben, dass Vormischbrenner mit der erfindungsgemäßen Konturierung deutlich geringere Druckfluktuationen aufweisen als entsprechend konventionell ausgebildete Vormischbrenner. Figur 5 zeigt hierzu eine Diagrammdarstellung, längs deren x- Achse die Flammentemperatur und längs deren y-Achse die Stärke von Druckfluktuationen in normierter Darstellung angegeben ist. Der Linienzug mit den quadratischen Markierungen entspricht dem Betrieb eines Vormischbrenners mit erfindungsgemäßer Konturierung, der mit den Rauten durchsetzte Graf entspricht einem konventionellen Vormischbrenner. Sehr deutlich zeigt sich, dass vor allem bei niedrigen Flammtemperaturen weitaus geringere Druckschwankungen bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Vormischbrenner auftreten als bei einem Konventionellen.
Auch zeigt sich, dass die erfindungsgemäße Vorkehrung nahezu keinerlei Auswirkungen auf ein erhöhtes Emissionsverhalten hinsichtlich Stickoxide hat. In Figur 6 ist ein Diagramm dargestellt, längs deren x-Achse die und längs deren y- Achse die Stickoxidkonzentration in normierter Darstellung aufgetragen ist. Sowohl der Vormischbrenner mit erfindungsgemäß ausgebildeter Konturierung (siehe hierzu Linie mit Rechtecken) sowie auch ein konventioneller Vormischbrenner (siehe hierzu Linie mit Rauten) verlaufen weitgehend parallel auf einem niedrigen Niveau. Bezugszeichenliste Vormischbrenner, Drallerzeuger Lufteintrittsschlitz Brenneraustritt Brennkammer Ruckstromungszone Vorderer Staupunkt bzw. vordere Front der Ruckstromungszone Vormischflamme, Rückströmblase Brennerwand Kontur , 92, 93 Kulissenabschnitte Lokaler, axialer Bereich, 12 Teilkegelschalen

Claims

Patentansprüche
1. Vormischbrenner zum Betreiben einer Brennkammer (4) mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff mit einem Drallerzeuger (1) für einen Verbrennungszuluftstrom zur Ausbildung einer Drallströmung sowie Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff in die Drallströmung, wobei der Drallerzeuger (1) mittelbar über eine Mischzone oder unmittelbar an die Brennkammer (4) jeweils über einen Brenneraustritt (3) angrenzt, wobei am Brenneraustritt (3) eine in Strömungsrichtung der Drallströmung unstete Querschnittserweiterung vorgesehen ist, durch die die Drallströmung unter Ausbildung einer Rückströmzone (5) aufplatzt, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Brenneraustrittes (3) eine den Strömungsquerschnitt des Drallerzeugers (1 ) oder der Mischzone in Strömungsrichtung lokal verjüngende Kontur (9) vorgesehen ist.
2. Vormischbrenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (9) am Innenumfangsrand des Drallerzeugers (1 ) oder der Mischzone vorgesehen ist.
3. Vormischbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (9) in Strömungsrichtung einen ersten den Strömungsquerschnitt stetig verkleinernden Kulissenabschnitt (91), einen zweiten Kulissenabschnitt (92) mit einem geringsten Strömungsquerschnitt sowie einen dritten sich in Strömungsrichtung an den zweiten Kulissenabschnitt anschließenden, den Strömungsquerschnitt stetig vergrößernden Kulissenabschnitt (93) aufweist.
4. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (9) einen Strömungskanal einschließt, der in Art einer Venturidüse ausgebildet ist.
5. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kulissenabschnitt (93) eine axiale Lage innerhalb des Vormischbrenners besitzt, die im Bereich der in Strömungsrichtung vordersten Front (6) der sich ausbildenden Rückströmzone (5) liegt.
6. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (1) wenigstens zwei sich zu einem Körper ergänzende Teilkegelschalen (11, 12) aufweist, die gemeinsam einen kegelförmig ausgebildeten Drallraum mit einem Kegelwinkel 2γ sowie in Kegellängserstreckung tangentiale Lufteintrittsschlitze (2) einschließen, und dass jeder Teilkegelschale (11, 12) jeweils eine Mittelachse (M11, M12) zuordenbar ist, die räumlich getrennt voneinander verlaufen.
7. Vormischbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (1) unmittelbar über den Brenneraustritt (3) an die Brennkammer (4) angrenzt und die den Strömungsquerschnitt des Drallerzeugers (1 ) lokal verjüngende Kontur (9) durch folgende Geometriebedingungen beschreibbar ist:
0,5 ≤ R1(x)/RB(x) ≤ 1 0,5 ≤ R2(x)/RB(x) ≤ 2 und Y < α < 40 ° mit x: Orts-Koordinate längs der Mittelachse einer Teilkegelschale
R1 : radialer Abstand zwischen der Mittelachse einer Teilkegelschale und der Oberfläche der Kontur am Ort x längs der Mittelachse RB: radialer Abstand zwischen der Mittelachse einer Teilkegelschale und der Oberfläche der ursprünglichen Teilkegelschale am Ort x längs der Mittelachse R2: Überhöhung der Kontur gemessen von der Oberfläche der Teilkegelschale am Ort x längs der Mittelachse α: Winkel zwischen einer Tangentialoberfläche an der Kontur und der Mittelachse der Teilkegelschale am Ort x längs der Mittelachse Y: halber Kegelwinkel.
8. Vormischbrenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner als Doppelkegelbrenner ausgebildet ist und dass der kleinste Strömungsquerschnitt im Bereich der Kontur (9) elliptisch geformt ist.
9. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Brennkammer (4) Turbinenstufen einer Gasturbinenanlage anschließen.
10. Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer unter Verwendung eines Vormischbrenners nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallströmung in axialer Strömungsrichtung innerhalb des Drallerzeugers (1) oder in einer sich an den Drallerzeuger (1) anschließenden Mischzone lokal beschleunigt sowie verzögert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Beschleunigung der Drallströmung vor der vordersten Front (6) der sich ausbildenden Rückströmzone (5) und die Verzögerung zumindest teilweise vor der vordersten Front (6) der sich ausbildenden Rückströmzone (5) erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung und Verzögerung unter Nutzung des Bernoulli-Effektes erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallgradient der Drallströmung in
Strömungsrichtung lokal vergrößert wird.
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