Vormischbrenner mit Mischstrecke Premix burner with mixing section
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf einen Vormischbrenner mit einer Mischstrecke für einen Wärmeerzeuger, vorzugsweise für eine Brennkammer zum Betreiben einer Gasturbinenanlage, mit zu einem Drallkörper sich ergänzenden Teilkegelschalen, die einen konisch sich erweiternden Drallraum umspannen und gegenseitig tangentiale Lufteintrittschlitze begrenzen, längs derer Zuführungen für gasförmigen Brennstoff verteilt vorgesehen sind, mit wenigstens einer längs einer den Drallraum mittig durchsetzenden Brennerachse angeordneten Brennstoffzuführung für Flüssigbrennstoff sowie mit einem sich stromab an den Drallkörper über ein Übergangsstück anschließenden Mischrohr.The invention relates to a premix burner with a mixing section for a heat generator, preferably for a combustion chamber for operating a gas turbine plant, with complementary to a swirler Teilkegelschalen spanning a conically expanding swirl space and mutually tangential air inlet slots along which supply gaseous fuel are provided distributed, with at least one along a swirl space centrally passing through the burner axis arranged fuel supply for liquid fuel and with a downstream of the swirl body via a transition piece subsequent mixing tube.
Stand der TechnikState of the art
Gattungsgemäße Vormischbrenner werden seit vielen Jahren erfolgreich zur Befeuerung von Brennkammern zum Antrieb von Gasturbinenanlagen eingesetzt und stellen im Hinblick auf ihre Brennereigenschaften weitgehend ausgereifte Komponenten dar. Je nach Einsatz und erwünschten Brennerleistungen sind gattungsgemäße Vormischbrenner verfügbar, die sowohl im Hinblick auf Brennerleistung sowie auch unter dem Aspekt reduzierter Schadstoffemission optimiert sind.Generic premix burners are successfully used for firing combustion chambers for driving gas turbine plants for many years and represent largely mature components with regard to their burner properties. Depending on the application and desired burner outputs, generic premix burners are available, both with regard to burner performance and in terms of burner performance reduced pollutant emission are optimized.
Ein Vormischbrenner ohne Mischrohr, auf den aufgrund der Entwicklungsgeschichte kurz hingewiesen werden soll, ist der EP 0 321 809 B1 zu entnehmen, der im
Wesentlichen aus zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinander geschachtelten Teilkörpern besteht, deren jeweilige Längssymmetrieachsen gegeneinander versetzt verlaufen, so dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze für einen Verbrennungsluftstrom bilden. Üblicherweise wird in den von den Teilkörpern umspannten Drallraum über eine zentrale Düse flüssiger Brennstoff eingedüst, während über die im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze in Längserstreckung vorhandene weitere Düsen gasförmiger Brennstoff eingebracht wird.A premix burner without a mixing tube, to which reference should be briefly made on the basis of the development history, can be found in EP 0 321 809 B1, which is incorporated herein by reference Substantially consists of two hollow, conical, nested in the flow direction part bodies, whose respective longitudinal axes of symmetry are offset from each other, so that the adjacent walls of the body part in their longitudinal extent form tangential slots for a combustion air flow. Usually, liquid fuel is injected into the swirl space enclosed by the partial bodies via a central nozzle, while gaseous fuel is introduced via the further nozzles present in the region of the tangential air inlet slots in the longitudinal extent.
Das Brennerkonzept des vorstehend genannten Vormischbrenners basiert auf der Erzeugung einer geschlossenen Drallströmung innerhalb des sich kegelförmig erweiternden Drallraumes. Die Drallströmung wird jedoch aufgrund des zunehmenden Dralls in Strömungsrichtung innerhalb des Drallraumes instabil und geht in eine anulare Drallströmung mit Rückströmungszone im Strömungskern über. Der Ort, an dem die Drallströmung durch Aufplatzen in eine anulare Drallströmung mit Rückströmzone unter Ausbildung einer so genannten Rückströmblase übergeht, wird im Wesentlichen durch den Kegelwinkel, der durch die Teilkegel schalen einbeschrieben wird, sowie die Schlitzbreite der Lufteintrittsschlitze bestimmt. Grundsätzlich sind bei der Wahl zur Dimensionierung der Schlitzbreite sowie des Kegelwinkels, durch den letztlich die Baulänge des Brenners bestimmt wird, enge Grenzen gesetzt, damit sich ein gewünschtes Strömungsfeld einstellen kann, das zur Ausbildung einer Drallströmung führt, die im Brennermündungsbereich in eine anulare Drallströmung unter Ausbildung einer räumlich stabilen Rückströmzone aufplatzt, in der das Brennstoff-Luftgemisch unter Ausbildung einer räumlich stabilen Flamme zündet. Eine Verkleinerung der Lufteintrittsschlitze führt zu einer stromaufwärtigen Verschiebung der Rückströmzone, wodurch dann allerdings das Gemisch aus Brennstoff und Luft zeitlich und räumlich früher zur Zündung kommt.
Um auf der anderen Seite die Rückströmblase weiter stromab zu positionieren, d.h. eine längere Vormisch- oder Verdampfungsstrecke zu erhalten, so wird stromab zum Drallkörper eine die Drallströmung weiterführende Mischstrecke in Form eines Mischrohres vorgesehen, wie es bspw. in der EP 0 704 657 B1 im Einzelnen beschrieben. In dieser Druckschrift ist ein aus vier Teilkegelkörpern bestehender Drallkörper zu entnehmen, an dem sich stromab eine für eine weitere Durchmischung des Brennstoff-Luftgemisches dienende Mischstrecke anschließt. Zur kontinuierlichen Überführung der aus dem Drallkörper austretenden Drallströmung in die Mischstrecke sind zwischen dem Drallkörper und der Mischstrecke in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle vorgesehen, die zur Überführung der im Drallkörper gebildeten Drallströmung in den stromab der Übergangskanäle nachgeschalteten Mischstrecke dienen.The burner concept of the premix burner mentioned above is based on the generation of a closed swirl flow within the conically expanding swirl space. However, due to the increasing swirl in the flow direction, the swirl flow becomes unstable within the swirl space and changes into an annular swirl flow with a backflow zone in the flow core. The location at which the swirling flow passes through bursting into an annular swirling flow with a backflow zone to form a so-called backflow bubble is determined essentially by the cone angle, which is inscribed by the partial cone shells, and the slot width of the air inlet slots. In principle, narrow limits are set in the choice for dimensioning the slot width and the cone angle, which ultimately determines the overall length of the burner, so that a desired flow field can be established, which leads to the formation of a swirl flow, in the burner mouth region in an annular swirling under Formation of a spatially stable Rückströmzone bursts, in which ignites the fuel-air mixture to form a spatially stable flame. A reduction of the air inlet slots leads to an upstream displacement of the Rückströmzone, whereby then, however, the mixture of fuel and air in time and spatially earlier comes to the ignition. On the other hand, in order to position the backflow bubble further downstream, ie to obtain a longer premix or evaporation section, a mixing section in the form of a mixing tube which continues the swirl flow is provided downstream of the swirl body, as described, for example, in EP 0 704 657 B1 in US Pat Individual described. In this document, a swirl body consisting of four partial cone bodies can be seen, at which downstream a mixing section serving for a further mixing of the fuel-air mixture follows. For the continuous transfer of the swirl flow exiting from the swirl body into the mixing section, transition channels extending in the flow direction between the swirl body and the mixing section are provided, which serve to transfer the swirl flow formed in the swirl body into the mixing section downstream of the transition channels.
Das Vorsehen eines Mischrohrs verkleinert jedoch zwangsläufig die Größe der Rückströmblase, zumal der Drall der Strömung so zu wählen ist, dass die Strömung nicht innerhalb des Mischrohrs aufplatzt. Am der Ende des Mischrohrs ist demzufolge der Drall zu gering, dass sich eine grosse Rückströmblase ausbilden kann. Selbst Versuche zur Vergrößerung der Rückströmblase, bei denen die Innenkontur des Mischrohrs einen sich in Strömungsrichtung divergent öffnenden Diffusorwinkel vorsehen, zeigten, dass derartige Massnahmen zum stromaufwärtigen Wandern der Flamme führen. Ausserdem ergeben sich zusätzliche Probleme bezüglich wandnaher Strömungsablösungen längs des Mischrohrs, die sich nachteilig auf die Durchmischung des Brennstoff-Luftgemisches auswirken.The provision of a mixing tube, however, inevitably reduces the size of the Rückströmblase, especially since the swirl of the flow is to be chosen so that the flow does not burst inside the mixing tube. Consequently, at the end of the mixing tube, the twist is too small that a large backflow bubble can form. Even attempts to increase the Rückströmblase, in which the inner contour of the mixing tube provide a divergently opening in the flow direction diffuser angle, showed that such measures lead to the upstream migration of the flame. In addition, there are additional problems with wall-near flow separation along the mixing tube, which adversely affect the mixing of the fuel-air mixture.
Neben dem konstruktiven Brennerdesign übt auch die Einspeisung von Brennstoff einen entscheidenden Einfluss auf die Strömungsdynamik der sich innerhalb des Drallkörpers ausbildenden Drallströmung sowie der sich stromab des Drallkörpers möglichst raumstabil ausbildenden Rückströmblase aus. So zeigt sich bei einer typischen Einspeisung von Flüssigbrennstoff längs der Brennerachse am Ort der Kegelspitze des sich konisch erweiternden Drallraumes ein sich längs der Brennerachse ausbildendes, fettes Brennstoff-Luftgemisches, insbesondere bei Vormischbrennem größerer Bauart, wodurch die Gefahr der sog. Rückzündung
(Flashback) in den Bereich des Drallraumes hinein ansteigt. Derartige Rückzündungen führen zum einen unweigerlich zu erhöhten NOx-Emissionen, zumal hierdurch nicht vollständig durchmischte Brennstoff-Luftgemisch-Anteile verbrannt werden. Zum anderen sind Rückzündungserscheinungen vor allem deswegen gefährlich und daher zu vermeiden, da sie zu thermischen sowie mechanischen Belastungen und in Folge dessen zu irreversiblen Schädigungen an der Struktur des Vormischbrenners führen können.In addition to the constructive burner design, the supply of fuel also exerts a decisive influence on the flow dynamics of the swirl flow forming within the swirl body and on the backflow bubble forming as stable a space as possible from the swirl body. Thus, in a typical feed of liquid fuel along the burner axis at the location of the apex of the conically expanding swirl space, along the burner axis forming, rich fuel-air mixture, especially in Vormischbrennem larger design, whereby the risk of so-called (Flashback) rises into the area of the swirl space. On the one hand, such reignitions inevitably lead to increased NOx emissions, since this does not burn completely mixed fuel / air mixture fractions. On the other hand, re-ignition phenomena are especially dangerous and therefore to be avoided since they can lead to thermal and mechanical stresses and as a result to irreversible damage to the structure of the premix burner.
Ein weiterer sehr wichtiger, umwelttechnischer Aspekt betrifft aus das Emissionsverhalten derartiger Vormischbrenner. Aus verschiedenen Druckschriften ist es bekannt, bspw. aus Combust. Sei. and Tech. 1992, Vol. 87, pp. 329-362, dass bei einer perfekt vorgemischten Flamme die Grosse der Rückströmblase zwar keinen Einfluss auf die NOx-Emissionen hat, jedoch die CO-, UHC-Emissionen sowie die Löschgrenze stark zu beeinflussen vermag, d.h. je grösser die Rückströmblase umso geringer fallen die CO-, UHC-Emissionen sowie die Löschgrenze aus. Mit einer sich grösser ausbildenden Flammenstabilisationszone bzw. Rückströmblase kann somit ein größerer Lastbereich im Vormischbereich abgedeckt werden, zumal die Flamme bei weit niedrigeren Temperaturen löscht als im Falle einer kleinen Rückströmblase. Gründe hierfür sind der Wärmeaustausch zwischen der Rückströmblase und das zündfähige Brennstoff-Luftgemisch sowie die Stabilisierung der Flammenfront im Strömungsfeld.Another very important environmental aspect relates to the emission behavior of such premix burners. From various publications it is known, for example. From Combustion. Be. and tech. 1992, Vol. 87, pp. 329-362, that in a perfectly premixed flame, although the size of the backflow bubble does not affect NOx emissions, it can greatly affect CO, UHC and extinction limits, i. the larger the backflow bubble, the lower the CO, UHC emissions and the extinguishing limit. With a larger forming flame stabilization zone or Rückströmblase thus a larger load range can be covered in Vormischbereich, especially since the flame extinguishes at much lower temperatures than in the case of a small Rückströmblase. Reasons for this are the heat exchange between the Rückströmblase and the ignitable fuel-air mixture and the stabilization of the flame front in the flow field.
Die vorstehenden Ausführungen zeigen, dass eine Leistungsvariation im Sinne einer Leistungserhöhung einer Gasturbinenanlage durch bloße Hochskalierung der Baugrösse eines bisher bekannten Vormischbrenners zu einer Vielzahl von Problemen führt und somit unweigerlich eine vollständige Neukonstruktion eines bis anhin bekannten kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenners erforderlich macht. Hier gilt es Abhilfe zu schaffen und nach Maßnahmen zu suchen, um eine gewünschte Skalierung von Gasturbinenanlagen auch mit dem derzeit in Betrieb befindlichen Vormischbrennem mit nach geschalteter Mischstrecke zu ermöglichen und dies mit nur geringen bautechnischen Änderungen an bestehenden Vormischbrennersystemen.
Darstellung der ErfindungThe above statements show that a power variation in terms of a power increase of a gas turbine plant by mere scaling up the size of a previously known premix burner leads to a variety of problems and thus inevitably makes a complete redesign of a hitherto known cone-shaped Vormischbrenners required. Here it is necessary to remedy the situation and to look for measures to enable a desired scaling of gas turbine plants also with the currently in operation premix burner with downstream mixing section and this with only minor structural changes to existing Vormischbrennersystemen. Presentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vormischbrenner mit nach geschalteter Mischstrecke für einen Wärmeerzeuger, insbesondere für die Befeuerung einer Brennkammer zum Antrieb einer Gasturbinenanlage mit zu einem Drallkörper sich ergänzenden Teilkegelschalen, die einen konisch sich erweiternden Drallraum umspannen und gegenseitig tangentiale Lufteintrittschlitze begrenzen, längs derer Zuführungen für gasförmigen Brennstoff verteilt vorgesehen sind, mit wenigstens einer längs einer den Drallraum mittig durchsetzenden Brennerachse angeordneten Brennstoffzuführung für Flüssigbrennstoff sowie mit einem sich stromab an den Drallkörper über ein Übergangsstück anschließenden Mischrohr, derart weiterzubilden, dass sein Einsatz auch bei größer dimensionierten Gasturbinenanlagen, die eine größere Brennerlast erfordern, möglich wird ohne die konstruktive Ausgestaltung des Vormischbrenners wesentlich verändern zu müssen. Insbesondere gilt es trotz den die Brennerleistung maximierenden Maßnahmen die durch den Brenner verursachte Schadstoffemission so gering wie möglich zu halten. Selbstverständlich gilt es überdies stets die Betriebssicherheit eines erfindungsgemäß modifizierten Vormischbrenners zu gewährleisten und trotz den die Brennerleistung steigernden Maßnahmen die bei leistungsstarken Brennersystemen zunehmende Gefahr bezüglich Rückzündungsereignisse zu minimieren bis hin zu vollständig auszuschließen.The invention has the object of providing a premix burner with downstream mixing section for a heat generator, in particular for firing a combustor to drive a gas turbine plant with complementary to a swirler Teilkegelschalen that span a conically expanding swirl space and limit each other tangential air inlet slots, along which Distributions are provided for gaseous fuel distributed, with at least one along a twisting space passing through the burner axis arranged fuel supply for liquid fuel and with a downstream of the swirl body via a transition piece subsequent mixing tube, such that its use even with larger-sized gas turbine plants, the one require greater burner load, is possible without having to change the design of the premix burner significantly. In particular, it is important to keep the emission of pollutants caused by the burner as low as possible despite the measures maximizing the burner performance. Of course, it is also always to ensure the reliability of a modified according to the invention Vormischbrenners and despite the burner performance enhancing measures to minimize the risk of reigniting events at high-performance burner systems up to completely exclude.
Als eine weitere Aufgabe ist ein Verfahren zum Betreiben eines Vormischbrenners mit nach geschalteter Mischstrecke für einen Wärmeerzeuger, insbesondere für die Befeuerung einer Brennkammer zum Antrieb einer Gasturbinenanlage, anzugeben, das es ermöglicht trotz Vergrösserung des Vormischbrenners die Flammensposition zu stabilisieren, die CO-, UHC- und NOχ-Emissionen zu reduzieren, auftretende Brennkammerpulsationen zu verringern und den Stabilitätsbereich zu vergrößern. Zudem soll der Ausbrand vollständig sein.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein lösungsgemäßes Verfahren ist im Anspruch 10 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.A further object is to provide a method for operating a premixing burner with downstream mixing path for a heat generator, in particular for firing a combustion chamber for driving a gas turbine plant, which makes it possible to stabilize the flame position despite increasing the premix burner, the CO, UHC and reduce NOχ emissions, reduce combustion chamber pulsations that occur, and increase the stability range. In addition, the burnout should be complete. The solution of the problem underlying the invention is specified in claim 1. A method according to the solution is specified in claim 10. The concept of the invention advantageously further features are the subject of the dependent claims and the description in particular with reference to the exemplary embodiments.
Lösungsgemäss ist ein Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke in Form eines Mischrohres gemäss den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 dadurch ausgebildet, dass wenigstens eine weitere Brennstoffzuführung im Bereich des Drallkörpers, des Übergangsstückes und/oder des Mischrohres vorgesehen ist, die es ermöglicht radial von aussen bezüglich der sich in Strömungsrichtung innerhalb des Brenners ausbildenden Drallströmung Brennstoff in das Brennstoff- Luftgemisch einzuspeisen. Mit dieser Massnahme kann dem bis anhin auftretenden radialen Brennstoffgradienten, bedingt durch eine ausschliessliche zentrale längs der Brennerachse gerichtete Brennstoffeinspeisung und die damit verbundene brennerachsennahe Ausbildung eines fetten Brennstoff-Luftgemisches, das sich mit zunehmenden radialem Abstand von der Brennerachse deutlich abmagert, entgegengetreten werden. Die lösungsgemässe zusätzliche Brennstoffeinspeisung, die aus einem flüssigen Brennstoff bestehen kann, aus Bereichen des Brennergehäuses, das das sich in Form einer Drallströmung längs der Brennerachse ausbreitende Brennstoff-Luftgemisch radial umfasst, wird dem radialen Brennstoffgradienten insofern entgegengetreten, indem die Brennstoffkonzentration in den radial zu Brennerachse entfernt liegenden Strömungsbereichen durch dosierte Brennstoffeinspeisung angehoben wird, bis sich ein gewünschtes Brennstoffprofil längs eines Strömungsquerschnittes einstellt.According to the solution, a premix burner with a downstream mixing section in the form of a mixing tube according to the features of the preamble of claim 1 is formed in that at least one further fuel supply is provided in the region of the swirler, the transition piece and / or the mixing tube, which makes it possible radially from the outside with respect to Feeding fuel into the fuel-air mixture in the direction of flow within the burner forming swirl flow. With this measure, the previously occurring radial fuel gradients due to an exclusive central along the burner axis directed fuel feed and the associated Brennerachsennahe formation of a rich fuel-air mixture, which significantly emaciated with increasing radial distance from the burner axis, can be countered. The solution according to additional fuel feed, which may consist of a liquid fuel, from areas of the burner housing, which comprises radially extending in the form of a swirl flow along the burner axis fuel-air mixture, the radial fuel gradient is so far counteracted by the fuel concentration in the radial axis to the burner remote flow areas is raised by metered fuel feed until a desired fuel profile along a flow cross-section is established.
Um eine möglichst axial symmetrische bzw. homogene Brennstoffverteilung um die Brennerachse längs eines Strömungsquerschnittes innerhalb Drallströmung zu erhalten, sind wenigstens zwei vorzugsweise eine Vielzahl einzelne Brennstoffeinspeisestellen axial symmetrisch zur Brennerachse in dem jeweiligen Brennergehäusebereichen, sei es Drallkörper, Übergangsstück und/oder Mischrohr, vorzusehen. Die Brennstoffeinspeisestellen sind vorzugsweise als
Flüssigbrennstoffdüsen ausgebildet, durch die Flüssigbrennstoff unter Ausbildung eines Brennstoffsprays austragbar ist, wobei es ohne weiteres auch möglich ist, andere Brennstoffe einzubringen. Je nach erwünschter Eindringtiefe der Brennstoffeinspeisung ist der Zerstäubungsgrad durch Vorsehen entsprechender Düsenkonturen zu wählen. Bei einer maximalen Eindringtiefe kann die Brennstoffdüse als blosse Lochdüse ausgebildet sein, durch welche der Brennstoff in Form eines Brennstoffstrahls eingebracht wird.In order to obtain an axially symmetric or homogeneous fuel distribution around the burner axis along a flow cross-section within swirl flow, at least two, preferably a plurality of individual fuel feed points axially symmetrical to the burner axis in the respective burner housing areas, be it swirl body, transition piece and / or mixing tube provided. The fuel feeds are preferably as Liquid fuel nozzles formed by the liquid fuel to form a fuel spray can be discharged, and it is readily possible to introduce other fuels. Depending on the desired penetration depth of the fuel feed, the degree of atomization must be selected by providing appropriate nozzle contours. At a maximum penetration depth, the fuel nozzle may be formed as a mere hole nozzle, through which the fuel is introduced in the form of a fuel jet.
Je nach dem in welchem Bereich längs der Brennerachse die weiteren Brennstoffzuführungen vorgesehen sind, ist der Winkel relativ zur Brennerachse, unter dem der Brennstoff radial von aussen in die Drallströmung eingebracht wird zwischen 90°, d.h. der Brennstoffeintrag erfolgt senkrecht zur Brennerachse, und einem grosseren Winkel bis zu maximal 180°, d.h. der Brennstoffeintrag erfolgt parallel zur Brennerachse in Strömungsrichtung der Drallströmung, zu wählen.Depending on in which region along the burner axis the further fuel feeds are provided, the angle relative to the burner axis, under which the fuel is introduced radially from the outside into the swirl flow between 90 °, i. the fuel entry is perpendicular to the burner axis, and a larger angle up to a maximum of 180 °, i. the fuel input is parallel to the burner axis in the flow direction of the swirl flow to choose.
Vorzugsweise eignet sich eine zusätzliche Brennstoffeinspeisung im Bereich des Mischrohres, das über eine geradlinig hohlzylinderförmig ausgebildete Innenwand oder eine konturierte Innenwand in Art einer Diffusstruktur aufweisen kann. Im letzteren Fall eignet sich das Vorsehen der zusätzlichen Brennstoffzuführungen am Ort des geringsten Strömungsquerschnittes längs des Mischrohres, d.h. im Bereich der durch die Strömungsquerschnittsverengung hervorgerufenen größten axialen Strömungsgeschwindigkeit.Preferably, an additional fuel feed in the region of the mixing tube, which may have a rectilinear hollow cylindrical inner wall or a contoured inner wall in the manner of a diffusive structure. In the latter case, the provision of the additional fuel feeds at the location of the smallest flow cross-section along the mixing tube, i. in the region of the greatest axial flow velocity caused by the flow cross-sectional constriction.
Versuche konnten ferner bestätigen, dass eine Optimierung des Brennstoffprofils längs der Strömungsrichtung durch die Vormischbrenneranordnung auch im Falle der zusätzlichen Einspeisung von Brennstoff im Bereich des Übergangsstückes zwischen Drallerzeuger und Mischrohr möglich ist. In diesem Fall erwies es sich als besonders vorteilhaft, die Brennstoffeinspeisung durch senkrecht zur Brennerachse weisende Brennstoffdüsen in das sich axialwärts ausbreitende Luftbrennstoffgemisch einzutragen. Ähnlich gute Ergebnisse konnten mit einer Brennstoffeinspeisung im Bereich des Drallerzeugers erzielt werden, wobei die zusätzliche
Brennstoffeinspeisung von Seiten der tangential den Drallraum eingrenzenden Teilkegelschalen erfolgt.Experiments could further confirm that an optimization of the fuel profile along the flow direction through the premix burner arrangement is also possible in the case of the additional supply of fuel in the region of the transition piece between swirl generator and mixing tube. In this case, it proved to be particularly advantageous to enter the fuel feed by pointing perpendicular to the burner axis fuel nozzles in the axially spreading air fuel mixture. Similarly good results could be achieved with a fuel feed in the area of the swirl generator, with the additional Fuel feed from the side tangentially the swirl space bounding Teilkegelschalen takes place.
Gegenüber der bis anhin praktizierten Brennstoffeindüsung ausschliesslich aus dem Zentrum des Brenners, mit Hilfe einer im Bereich des Drallerzeugers angeordneten Brennstoffdüse, die im kleinsten Strömungsquerschnitt des Drallerzeugers positioniert ist, können mit den lösungsgemässen Massnahmen, die Massenströme des dem Brenner zugeführten Brennstoffes zur Optimierung des Brennerströmungsfeldes angepasst werden. So gilt es insbesondere beim Betrieb von Gasturbinenanlagen den Verbrennungsprozess dem jeweiligen Lastpunkt der Gasturbinenanlage anzupassen, d.h. die Brennstoffzugabe ist sowohl über die zentrale längs der Brennerachse orientierte Brennstoffdüse als auch über die radial um die Brennerachse im Brennergehäuse vorgesehenen, weiteren Brennstoffzuführungen entsprechend zu wählen, um ein möglichst homogenes Brennstoff-Luftgemisch im gesamten Strömungsquerschnitts zu erhalten. Durch diese wenigstens zweistufige Brennstoffzuführung, d.h. die erste Stufe entspricht der zentralen Brennstoffzuführung und die zweite Stufe der radial in das Strömungsfeld nach innen gerichtete Brennstoffzuführung, kann eine dem jeweiligen Operationsbzw. Lastpunkt der Gasturbinenanlage optimal angepasste Verteilung des Brennstoffes erreicht werden, die zu geringen Emissionen, geringeren Pulsationen und damit verbunden auch zu einem grosseren Betriebsbereich des Brenners führt.Compared to the previously practiced fuel injection exclusively from the center of the burner, with the help of a arranged in the swirl generator fuel nozzle, which is positioned in the smallest flow cross section of the swirl generator, can be adapted with the measures according measures, the mass flows of the fuel supplied to the burner to optimize the burner flow field become. In particular, in the operation of gas turbine plants, it is necessary to adapt the combustion process to the respective load point of the gas turbine plant, i. the fuel addition is to be selected accordingly both via the central fuel burner oriented along the burner axis and via the further fuel feeds provided radially around the burner axis in the burner housing in order to obtain the most homogeneous fuel-air mixture in the entire flow cross-section. By this at least two-stage fuel supply, i. the first stage corresponds to the central fuel supply and the second stage of the radially in the flow field inwardly directed fuel supply, a the respective Operationsbzw. Last point of the gas turbine plant optimally adapted distribution of the fuel can be achieved, which leads to low emissions, lower pulsations and thus also to a larger operating range of the burner.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention will now be described by way of example without limitation of the general inventive idea by means of embodiments with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 Längsquerschnitt durch eine Brenneranordnung mit einem kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenner und anschließendem Mischrohr mit einer unter einem Winkel α relativ zur Brennerachse angeordneten weiteren Flüssigbrennstoffzuführung im Mischrohr,1 longitudinal cross-section through a burner assembly with a cone-shaped premix burner and subsequent mixing tube with a α at an angle relative to the burner axis arranged further liquid fuel supply in the mixing tube,
Fig. 2 vgl. Ausführungsbeispiel gem. Figur 1 jedoch mit senkrecht zur
Brennerachse orientierten Flüssigbrennstoffeinspeisung, d.h. α =90°,Fig. 2 cf. Exemplary embodiment Figure 1 but with perpendicular to Burner axis oriented liquid fuel feed, ie α = 90 °,
Fig. 3 vgl. Ausführungsbeispiel gemäss Figur 2, jedoch mit imFig. 3 cf. Embodiment according to Figure 2, but with im
Übergangsstück integrierten Flüssigbrennstoffzuführungen sowieTransition piece integrated liquid fuel supplies as well
Fig. 4 vgl. Figur 3, jedoch mit im Drallerzeuger integrierten Flüssigbrennstoffzuführungen.Fig. 4 cf. FIG. 3, but with liquid fuel feeds integrated in the swirl generator.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays to carry out the invention, industrial usability
Die Figuren 1 bis 4 zeigen Längsquerschnitte durch eine Brenneranordnung mit einem kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenner 1 , an den sich stromab längs der Brennerachse A ein Übergangsstück 2 anschliesst, das seinerseits stromab mit einem Mischrohr 3 verbunden ist. Nicht in den Figuren 1 bis 4 dargestellt ist eine stromab zum Mischrohr 3 vorzusehende Brennkammer, die zum Antrieb einer Gasturbinenanlage dient.FIGS. 1 to 4 show longitudinal cross sections through a burner arrangement with a cone-shaped premix burner 1, adjoined downstream of the burner axis A by a transition piece 2, which in turn is connected downstream to a mixing tube 3. Not shown in Figures 1 to 4 is a downstream of the mixing tube 3 to be provided combustion chamber, which serves to drive a gas turbine plant.
Der in den Figuren 1 bis 4 jeweils dargestellte Vormischbrenner 1 ist als an sich bekannter Doppelkegelbrenner ausgebildet und begrenzt mit zwei Teilkegelschalen 5 einen konisch sich längs der Brennerachse A in Strömungsrichtung (siehe Pfeildarstellung) erweiternden Drallraum 6. Im Bereich des kleinsten Innenquerschnittes des sich konisch erweiternden Drallraumes 6 ist axial zur Brennerachse A eine zentrale Flüssigbrennstoffdüse 11 vorgesehen, durch die ein weitgehend symmetrisch zur Brennerachse A sich ausbreitendes Brennstoffspray 12 gebildet wird. Durch tangential zum Drallraum 6 verlaufende Lufteintrittsschlitze 7, die von den jeweils beiden Teilkegelschalen 5 begrenzt sind, gelangt Verbrennungsluft L mit einem um die Brennerachse A gerichteten Drall in den Drallraum 6, die sich mit gasförmigen Brennstoff vermischt, der aus längs zu den Lufteintrittsschlitzen 7 verteilt angeordneten Brennstoffzuführungen 8 ausgetragen wird. Das sich auf diese Weise innerhalb des Drallraumes 6 ausbildende Brennstoff- Luftgemisch, dessen Brennstoffanteil sich sowohl aus gasförmigem sowie auch
flüssigem Brennstoff zusammensetzt, gelangt in Form einer Drallströmung über ein Übergangsstück 2, das den Strömungsdrall erhaltende bzw. unterstützende Strömungsleitstücke 9 vorsieht, in die Mischstrecke 3, die im einfachsten Fall als hohlzylinderförmig ausgebildetes Mischrohr 4 ausgebildet ist. In allen dargestellten Figuren ist die Darstellung des Mischrohres 4 aus Gründen einer vereinfachten zeichnerischen Darstellung mit zwei unterschiedlich ausgebildeten Halbebenen dargestellt, die jeweils unterschiedliche Mischrohre repräsentieren. In der jeweils oberen Teilquerschnittshälfte weist das Mischrohr 4 eine konturierte Innenwand auf, die in Art eines Diffusors ausgebildet ist, mit einem in Strömungsrichtung sich verjüngenden, einen kleinsten sowie einen sich vergrössemden Strömungsquerschnitt. Demgegenüber repräsentiert die untere Hälfte des in Längsquerschnittsdarstellung gezeigten Mischrohrs 4 ein Mischrohr mit geradzylinderförmig ausgebildeter Innenwand. Zur weiteren Unterscheidung der jeweils oberen und unteren Hälfte des in den Figuren dargestellten Mischrohres wird das Mischrohr gemäss der oberen Bilddarstellung mit A1 , A2, A3 bzw. A4, wohingegen das Mischrohr gemäss unterer Ausführungsalternative jeweils mit B1 , B2, B3 bzw. B4 bezeichnet wird.The premix burner 1 shown in FIGS. 1 to 4 is designed as a double-cone burner known per se and delimits with two partial cone shells 5 a swirl space 6 which expands conically along the burner axis A in the flow direction (see arrow illustration) in the area of the smallest internal cross section of the conically widening Swirl chamber 6 is provided axially to the burner axis A, a central liquid fuel nozzle 11, through which a fuel spray 12 which propagates substantially symmetrically to the burner axis A is formed. By running tangentially to the swirl chamber 6 air inlet slots 7, which are bounded by the respective two partial cone shells 5, combustion air L passes with a directed to the burner axis A spin into the swirl chamber 6, which mixes with gaseous fuel, which is distributed longitudinally to the air inlet slots 7 arranged fuel supply 8 is discharged. The thus formed within the swirl chamber 6 fuel-air mixture, the fuel content of both gaseous and also liquid fuel, passes in the form of a swirl flow through a transition piece 2, which provides the Strömungsdrall receiving or supporting Strömungsleitstücke 9, in the mixing section 3, which is formed in the simplest case as a hollow cylindrical shaped mixing tube 4. In all the illustrated figures, the representation of the mixing tube 4 is shown for reasons of a simplified graphical representation with two differently shaped half-planes, each representing different mixing tubes. In the respective upper partial cross-section half, the mixing tube 4 has a contoured inner wall, which is designed in the manner of a diffuser, with a flow cross section which tapers in the direction of flow and has a smallest and an enlarged cross section. In contrast, the lower half of the mixing tube 4 shown in longitudinal cross-sectional representation represents a mixing tube with a straight cylinder-shaped inner wall. For further differentiation of the respective upper and lower half of the mixing tube shown in the figures, the mixing tube according to the upper image representation with A1, A2, A3 and A4, whereas the mixing tube according to the lower alternative embodiment is respectively denoted by B1, B2, B3 and B4 ,
Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 1 ist im Bereich des Mischrohres 4 eine weitere Brennstoffzuführung 13 vorgesehen, durch die ein Brennstoff FB, bspw. Öl, unter einem Winkel α relativ zur Brennerachse A eingespeist wird. Im Falle einer Mischrohrausbildung gemäss der oberen Teilquerschnittsdarstellung A1 mündet die Brennstoffzuführung 13 an der Mischrohrinnenwand im Bereich des kleinsten Strömungsquerschnittes. Um eine möglichst symmetrische Brennstoffverteilung um die Brennerachse A im Bereich der Brennstoffzuführung 13 zu erhalten, sind wenigstens zwei vorzugsweise mehr getrennt voneinander angeordnete Brennstoffzuführungen 13 innerhalb des Mischrohres 4 zu integrieren. Die Austrittsöffnungen der einzelnen Brennstoffzuführungen 13 liegen vorzugsweise in einer gemeinsamen Querschnittsebene, die die Brennerachse A senkrecht schneidet. Die Brennstoffzuführleitungen 13 münden üblicherweise über konventionelle Lochdüsen an der Innenwand des Mischrohres 4, können jedoch zur optimierten Brennstoffeinspeisung zur Herstellung eines feinst zerstäubten
Brennstoffsprays geeignete Düsenaustrittskonturen aufweisen. Ebenso denkbar wäre die Ausbildung einer durchgängig an der Innenwand des Mischrohres 4 umlaufenden Schlitzdüse, durch die Brennstoff in annularer Gleichverteilung um die Brennerachse A in den Raum der Mischstrecke eingetragen werden kann. Das Ausführungsbeispiel in der unteren Bilddarstellung B1 sieht ein Mischrohr 4 mit einer geraden hohlzylinderförmig ausgebildeten Innenwand vor, längs der ebenfalls unter einem Winkel α Brennstoff in das Innere des Mischrohrs 4 ausgetragen wird. Auch im Fallbeispiel B1 können die zum Fall A1 geschilderten alternativen Ausführungen und Anordnungen der Brennstoffzuführung 13 angewandt und eingesetzt werden.In the exemplary embodiment according to FIG. 1, a further fuel feed 13 is provided in the region of the mixing tube 4, through which a fuel FB, for example oil, is fed at an angle α relative to the burner axis A. In the case of a Mischrohrausbildung according to the upper partial cross-sectional view A1, the fuel supply 13 opens at the mixing tube inner wall in the region of the smallest flow cross-section. In order to obtain as symmetrical a fuel distribution around the burner axis A in the region of the fuel feed 13, at least two, preferably more fuel feeds 13 arranged separately from one another, are to be integrated within the mixing tube 4. The outlet openings of the individual fuel feeds 13 are preferably in a common cross-sectional plane which intersects the burner axis A perpendicular. The fuel supply lines 13 usually open via conventional hole nozzles on the inner wall of the mixing tube 4, but can for optimized fuel feed to produce a very atomized Have fuel sprays suitable nozzle outlet contours. Equally conceivable would be the formation of a slot nozzle running continuously around the inner wall of the mixing tube 4, through which fuel can be introduced in annular uniform distribution about the burner axis A into the space of the mixing section. The exemplary embodiment in the lower image representation B1 provides a mixing tube 4 with a straight, hollow-cylindrical inner wall, along which fuel is also discharged into the interior of the mixing tube 4 at an angle α. In the case example B1, the alternative embodiments and arrangements of the fuel feed 13 described for the case A1 can also be used and used.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 2 erfolgt die Brennstoffzuführung 13 im Bereich des Mischrohres 4 jeweils senkrecht zur Brennerachse A. Im Fall des Ausführungsbeispiels gemäss A2 in Figur 2 mündet die Brennstoffzuführung 13 ebenfalls im Bereich des geringsten Strömungsquerschnittes. Im Fall B2 ist es grundsätzlich ohne Belang, an welcher Stelle die Brennstoffzuführung 13 längs des Mischrohrs erfolgt, jedoch ist aus Gründen einer möglichst vollständigen Durchmischung des eingespeisten Brennstoffes FB und Ausbildung eines homogenen Brennstoff-Luftgemisches eine möglichst mittige oder relativ zur Mischrohrmitte stromaufwärtige axiale Position vorteilhaft.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the fuel supply 13 takes place in the region of the mixing tube 4 in each case perpendicular to the burner axis A. In the case of the embodiment according to A2 in FIG. 2, the fuel feed 13 also opens in the area of the smallest flow cross section. In the case of B2, it is fundamentally irrelevant at which point the fuel supply 13 takes place along the mixing tube, however, for reasons of complete mixing of the fuel fed FB and formation of a homogeneous fuel-air mixture, a central position which is as central as possible or upstream relative to the mixing tube center is advantageous ,
Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3 erfolgt die Brennstoffzuführung 13 im Bereich des Übergangsstückes 2. Neben der theoretisch möglichen Brennstoffeinspeisung unter einem Winkel α größer 90° relativ zur Brennerachse A hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen in diesem Bereich die Brennstoffzuführung jeweils senkrecht zur Brennerachse A, d.h. α = 90°, durchzuführen, zumal bei einer derartigen Brennstoffzuführung eine maximale Verweilzeit des ausgetragenen Brennstoffes innerhalb des Übergangsstückes 2 und eine damit verbundene vollständige Durchmischung gewährleistet ist.In addition to the theoretically possible fuel feed at an angle α greater than 90 ° relative to the burner axis A, it has proved particularly advantageous in this area, the fuel supply in each case perpendicular to the burner axis A, i. α = 90 ° perform, especially with such a fuel supply, a maximum residence time of the discharged fuel within the transition piece 2 and an associated complete mixing is guaranteed.
Schliesslich sieht das Ausführungsbeispiel gemäss Figur 4 die Brennstoffzuführung im Bereich des Vormischbrenners 1 vor. Hierbei sind die Brennstoffzuführungen 13
unmittelbar stromauf des Übergangsstückes 2 in den Teilkegelschalen 5 des Vormischbrenners 1 integriert.Finally, the exemplary embodiment according to FIG. 4 provides the fuel supply in the region of the premix burner 1. Here, the fuel supply 13 integrated directly upstream of the transition piece 2 in the sub-cone shells 5 of the premix burner 1.
Grundsätzlich ist es möglich, die unterschiedlichen Anordnungsmöglichkeiten der weiteren Brennstoffzuführungen 13, wie sie in den Figuren 1 bis 4 im Einzelnen beschrieben sind, miteinander zu kombinieren. Bei allen Kombinations- und Variationsmöglichkeiten der weiteren Brennstoffzuführung gilt jedoch es zu beachten, den Brennstoffeintrag in den randnahe Bereich der sich innerhalb der Brenneranordnung ausbildenden Drallströmung unter der Massgabe einer sich im Strömungsquerschnitt möglichst gleichmäßig ausbildenden Brennstoffverteilung vorzunehmen, um möglichst einen auftretenden Brennstoffgradienten längs eines Strömungsquerschnittes der Drallströmung zu vermeiden.In principle, it is possible to combine the different possible arrangements of the further fuel feeds 13, as described in detail in FIGS. 1 to 4. In all possible combinations and variations of the further fuel supply, however, it is important to note the fuel input into the near-edge region of the swirling flow forming within the burner assembly under the condition of a fuel distribution that forms as uniformly as possible in the flow cross-section in order to maximize an occurring fuel gradient along a flow cross-section of the To avoid swirling flow.
Mit Hilfe der erfindungsgemässen Massnahme der zusätzlichen Brennstoffzuführung können folgende Vorteile erzielt werden:With the aid of the measure according to the invention of the additional fuel supply, the following advantages can be achieved:
Die sich innerhalb der Brennkammer ausbildende Flammenposition kann stabilisiert werden.The flame position forming within the combustion chamber can be stabilized.
Geringere Emissionen bezüglich CO-, UHC- sowie NOχ-Schadstoffemissionen können erzielt werden.Lower emissions of CO, UHC and NOχ pollutant emissions can be achieved.
Es treten geringere Brennkammerpulsationen auf, d.h. der Stabilitätsbereich, in dem die Brenneranordnung nahezu schwingungsfrei betreibbar ist, kann deutlich vergrössert werden.There are less combustor pulsations, i. The stability range in which the burner assembly can be operated virtually free from vibration can be significantly increased.
Durch die homogenere Brennstoffverteilung innerhalb der Drallströmung ist ein vollständiger Ausbrand des Brennstoffes innerhalb der Brennkammer gewährleistet.Due to the more homogeneous distribution of fuel within the swirl flow, complete combustion of the fuel within the combustion chamber is ensured.
Grundsätzlich ermöglicht die erfindungsgemässe Massnahme einen grosseren Betriebsbereich, insbesondere bei Brennern grosserer Bauart ist eine optimalere Verteilung des Brennstoffes möglich.In principle, the measure according to the invention makes possible a larger operating range, in particular with burners of a larger design a more optimal distribution of the fuel is possible.
Die erfindungsgemässe Massnahme führt zu einer Reduktion des Zerstäubungs- oder Eindüsungsvordruckes für den Brennstoffbetrieb und sorgt für eine verbesserte Vormischung des Brennstoff-Luftgemisches.
BezugszeichenlisteThe measure according to the invention leads to a reduction of the atomizing or injection pre-pressure for the fuel operation and ensures an improved premixing of the fuel-air mixture. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Vormischbrenner1 premix burner
2 Übergangsstück2 transition piece
3 Mischstrecke3 mixing section
4 Mischrohr4 mixing tube
5 Teilkegelschale5 partial cone shell
6 Drallraum6 swirl space
7 Lufteintrittsschlitz7 air inlet slot
8 Brennstoffzufuhrleitung8 fuel supply line
9 Strömungsleitstücke9 flow guides
10 n.n.10 n.n.
11 zentrale Brennstoffdüse11 central fuel nozzle
12 Brennstoffspray12 fuel spray
13 Brennstoffzuführung A Brennerachse13 Fuel supply A burner axis
L Verbrennungsluft
L combustion air