EP1892472B1 - Verbrennungssystem insbesondere für eine Gasturbine - Google Patents

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EP1892472B1
EP1892472B1 EP06016932A EP06016932A EP1892472B1 EP 1892472 B1 EP1892472 B1 EP 1892472B1 EP 06016932 A EP06016932 A EP 06016932A EP 06016932 A EP06016932 A EP 06016932A EP 1892472 B1 EP1892472 B1 EP 1892472B1
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EP
European Patent Office
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nozzle
tube
orifice
burner
combustion chamber
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EP06016932A
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EP1892472A1 (de
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Werner Dr. Krebs
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Priority to EP06016932A priority patent/EP1892472B1/de
Priority to ES06016932T priority patent/ES2356924T3/es
Priority to DE502006008611T priority patent/DE502006008611D1/de
Priority to EP07788256A priority patent/EP2052184A1/de
Priority to PCT/EP2007/058144 priority patent/WO2008019969A1/de
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    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/006Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber the recirculation taking place in the combustion chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D11/00Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/40Mixing tubes or chambers; Burner heads
    • F23D11/406Flame stabilising means, e.g. flame holders
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
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    • F23D14/46Details, e.g. noise reduction means
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/09002Specific devices inducing or forcing flue gas recirculation
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D2900/00Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/11401Flame intercepting baffles forming part of burner head
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03282High speed injection of air and/or fuel inducing internal recirculation

Definitions

  • the present invention relates to a combustion system, in particular a combustion system for a gas turbine with a combustion chamber and at least one nozzle tube, which opens into the combustion chamber with a nozzle outlet opening.
  • Jet flames are discussed as an alternative to swirl flames in combustion systems for gas turbine plants.
  • a fuel fluid or a mixture of fuel fluid and air is introduced by means of a nozzle tube as a jet into the combustion chamber.
  • Jet flames enable emissions of nitrogen oxides (NO x) emissions, which are as low as in premixed flames swirl, while at the same time allow the distribution of heat release over a greater compared to the premixed swirl flame region in the combustor.
  • NO x nitrogen oxides
  • jet flames open up a potential for reducing thermoacoustically induced vibrations.
  • jet flames enable the burning of very different fuel fluids, which ensures a high flexibility of the combustion system. High flexibility is one of the main goals of modern combustion systems.
  • jet flames are mainly stabilized by the entrainment of hot reaction gases from an outer recirculation zone of the combustion chamber.
  • the entrainment of the hot reaction gases has been improved by increasing the jet velocity and adjusting the geometry of the combustion assembly.
  • the adjustment of the geometry is usually carried out by establishing a specific ratio between the diameter of the combustion chamber and the diameter of the nozzle opening into the combustion chamber of the nozzle tube.
  • a technical solution that leads to flame stabilization and noise reduction, is from the DE 93102547 U known.
  • the Flame stability may still be unsatisfactory, in particular with regard to different operating points of gas turbine plants or when using fuels with a high hydrogen content, which lead to a high combustion speed.
  • a burner according to the invention which in particular can be designed as a burner for a gas turbine, comprises at least one nozzle tube and a fuel fluid supply line communicating with the nozzle tube for supplying a fuel fluid into the nozzle tube and optionally additionally an air supply line communicating with the nozzle tube for supplying Combustion air in the nozzle tube.
  • the nozzle tube has a nozzle outlet opening and is designed to inject a jet of fuel fluid or of a mixture of air and fuel fluid into a combustion chamber.
  • the nozzle tube has in the region of the nozzle outlet opening to the center of the opening projecting elements.
  • the elements projecting towards the center of the opening thus lead to an increase in the turbulent fluctuations in the region of the boundary surface between the jet and the recirculated combustion exhaust gases in the well-worn jet, which in turn increases the entrainment of the combustion exhaust gases. As a consequence, the stability of the flame is increased.
  • the projecting elements are formed by a nozzle tube section having a corrugated inner circumferential surface extending up to the nozzle outlet opening. This leads to an enlargement of the surface of the jet emerging from the nozzle opening. Since the number of turbulent fluctuations depends on the size of the interface between the jet and the hot reaction gases, ie the combustion gases, in the recirculation zone, in this implementation, the enhancement of vortex formation is essentially due to the increased radiant surface area.
  • the corrugated inner peripheral surface at the nozzle exit port is configured to have a maximum deflection A about a mean opening radius R of the nozzle exit port, and the ratio of the deflection to the mean port radius through the relationship 0 . 03 ⁇ / R A ⁇ 0 . 2 given is.
  • the corrugated inner peripheral surface may in particular have the shape of a sine wave extending over the circumference of the nozzle outlet opening. But other in the broadest sense corrugated forms, such as sawtooth shapes, are possible.
  • the nozzle tube has a nozzle tube section remote from the nozzle opening and a transition section.
  • the transition section represents a transition from the nozzle tube section with a circular opening cross-section to the nozzle tube section with the corrugated inner circumferential surface.
  • the maximum amplitude of the corrugated inner peripheral surface is reached directly at the nozzle outlet opening.
  • the ratio of the length L T of the transition region to the maximum amplitude A is given by the formula 1 ⁇ / 2 ⁇ A L T ⁇ 5 given. In the given by the formula ratio of the length of the transition region to the maximum amplitude can be achieved particularly advantageous results for flame stability.
  • a combustion system with a combustion chamber and a burner according to the invention comprises at least one nozzle tube and a fuel fluid supply line communicating with the nozzle tube for supplying a fuel fluid into the nozzle tube and optionally additionally an air supply line communicating with the nozzle tube for supplying combustion air into the nozzle tube.
  • the nozzle tube has a nozzle outlet opening into the combustion chamber and is designed to inject a jet of fuel fluid or a mixture of air and fuel fluid into the combustion chamber.
  • the nozzle tube projects into the combustion chamber.
  • the nozzle tube may have an opening diameter D and project over a length L in the combustion chamber, wherein the ratio of the length L to the opening diameter D by the relationship 0 .
  • the nozzle tube projecting into the combustion chamber can be equipped, in particular in the area of the nozzle outlet opening, with elements projecting towards the center of the opening, as have been described with reference to the burner according to the invention.
  • the burner is a burner according to the invention.
  • FIG Fig. 1 An exemplary embodiment of a combustion system according to the invention is shown in a highly schematic representation in FIG Fig. 1 shown.
  • the figure shows a section through the longitudinal axis of the combustion system and shows a burner 1 and a combustion chamber. 3
  • the burner is designed to generate a jet flame 5. It comprises a nozzle tube 7, which in the present embodiment is in communication with a fuel supply line 9 and an air supply line 11.
  • the fuel fluid supplied via the fuel supply line 9, for example, gas (such as natural gas) or oil (such as fuel oil) is mixed in a mixer 13 and supplied to the nozzle tube 7.
  • gas such as natural gas
  • oil such as fuel oil
  • the premixed air / fuel mixture is injected into the combustion chamber 3 to form the jet flame 5.
  • the diameter of the nozzle outlet opening with the dimension of the combustion chamber opening W in the ratio 1 ⁇ W / D ⁇ 4.
  • a recirculation zone 6 in which hot combustion gases flow back in the radially outer region of the combustion chamber 3 in the direction of the burner 7 and in the upstream region of the combustion chamber 3 in its direction of movement in the direction of the radially inner area be distracted the combustion chamber.
  • shear forces occur, which entrain the recirculated exhaust gas 17 in the flow direction F of the air / fuel mixture. Due to this entrainment effect, the jet flame 5 is stabilized in the combustion chamber 3. For the entrainment effect, primarily turbulent fluctuations in the peripheral surface of the jet flame 5 are responsible.
  • the nozzle tube 7 of the burner 1 has a corrugated tube wall 19 in the region of the nozzle outlet opening 15.
  • the corrugation is realized in that the tube wall 19 has the shape of a standing sine wave oscillating about an average tube radius R with an amplitude A.
  • the corrugation can also be implemented in its inner wall by incorporating a sinusoidal contour in the circumferential direction of the nozzle tube. The curl does not necessarily have sinusoidal form. Other shapes, such as sawtooth shapes, are possible.
  • the amplitude A of the corrugation has its maximum value at the nozzle outlet opening 15. It decreases towards upstream pipe sections until finally reaching a pipe section 21 in which the pipe has a circular cross-section.
  • the transition region in which the amplitude decreases from its maximum value A to zero, has a length L T in the axial direction of the nozzle tube 7.
  • the ratio of the length L T of the transition region to the maximum amplitude A is defined by the relationship 1 ⁇ / 2 ⁇ A L T ⁇ 5 given.
  • the surface of the nozzle outlet opening 15 emerging jet of air / fuel mixture in comparison to a emerging from a nozzle outlet opening with a round cross-section and the radius R jet of air / fuel mixture increases.
  • the enlargement of the surface of the jet leads to more turbulent fluctuations and thus to an amplification of the described entrainment effect.
  • the entrainment effect can be enhanced if the ratio of the deflection A of the corrugation to the mean radius R of the nozzle outlet opening is enhanced by the relationship 0 . 03 ⁇ / R A ⁇ 0 . 2 given is.
  • Fig. 2 merely exemplary and schematically represents the shape of the corrugation.
  • the number of wave crests and troughs can also be smaller or larger than that in Fig. 2 is shown.
  • FIG. 3 A further embodiment of the combustion system according to the invention is in Fig. 3 shown.
  • the figure shows the combustion system in a section along its longitudinal axis and shows a burner 201 and a combustion chamber 203.
  • the burner comprises a nozzle tube 207, a fuel supply line 209 and an air supply line 211 and a mixer 213, which is connected upstream of the nozzle tube 207 and into which the fuel supply line 209 and the air supply line 211 open.
  • the nozzle tube 207 has neither a corrugation nor delta wings in the region of its nozzle outlet opening 215. It should be noted at this point, however, that the burner can be equipped in the second embodiment of the combustion system with a corrugation or with delta wings in the region of its nozzle outlet opening 215.
  • the nozzle exit opening 215 Due to the entry into the combustion chamber 203, the nozzle exit opening 215 can be brought closer to the recirculation zone in the combustion chamber, so that shortly after the exit of the jet 205 from the nozzle exit opening 215 the entrainment effect occurs. The entrainment effect can therefore stabilize the jet flame 205 largely over its entire length.
  • the entrainment effect for the hot gases in the outer recirculation zone is increased.
  • the increased turbulent fluctuations ensure uniform combustion with low acoustic amplitudes, thus suppressing the occurrence of combustion oscillations.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbrennungssystem, insbesondere ein Verbrennungssystem für eine Gasturbine mit einer Brennkammer und wenigstens einem Düsenrohr, welches mit einer Düsenaustrittsöffnung in die Brennkammer mündet.
  • In jüngster Zeit werden so genannte Strahlflammen (jet flames) als Alternative zu Drallflammen (swirl flames) in Verbrennungssystemen für Gasturbinenanlagen diskutiert. In Strahlflammen wird ein Brennstofffluid oder ein Gemisch aus Brennstofffluid und Luft mittels eines Düsenrohres als Strahl in die Brennkammer eingebracht. Strahlflammen ermöglichen Stickoxidemissionen (NOx-Emissionen), die so niedrig sind wie bei vorgemischten Drallflammen, während sie gleichzeitig die Verteilung der Wärmefreisetzung über einen im Vergleich zu den vorgemischten Drallflammen größeren Bereich in der Brennkammer ermöglichen. Infolge der Wärmefreisetzung über einen größeren Bereich eröffnen Strahlflammen ein Potential zum Vermindern thermoakustisch induzierter Schwingungen. Weiterhin ermöglichen Strahlflammen das Verbrennen sehr unterschiedlicher Brennstofffluide, was eine hohe Flexibilität des Verbrennungssystems sicherstellt. Eine hohe Flexibilität ist eines der Hauptziele moderner Verbrennungssysteme.
  • Die Stabilisierung einer Strahlflamme bleibt jedoch weiterhin eine nicht vollständig gelöste Aufgabe. Bisher werden Strahlflammen hautsächlich durch die Mitführung von heißen Reaktionsgasen aus einer äußeren Rezirkulationszone der Brennkammer stabilisiert. Die Mitführung der heißen Reaktionsgase wurde bisher verbessert, indem die Strahlgeschwindigkeit erhöht und die Geometrie der Verbrennungsanordnung geeignet eingestellt worden sind. Das Einstellen der Geometrie erfolgt in der Regel durch Herstellen eines speziellen Verhältnisses zwischen dem Durchmesser der Brennkammer und dem Durchmesser der in die Brennkammer mündenden Düsenöffnung des Düsenrohres. Eine technische Lösung, die zur Flammenstabilisierung und Geräuschreduzierung führt, ist aus der DE 93102547 U bekannt. Die Flammenstabilität kann jedoch insbesondere im Hinblick auf unterschiedliche Betriebspunkte von Gasturbinenanlagen oder bei Verwendung von Brennstoffen mit hohem Wasserstoffgehalt, welche zu einer hohen Verbrennungsgeschwindigkeit führen, trotz allem noch unbefriedigend sein.
  • Demgegenüber ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Brenner für Strahlflammen zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Brenner nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Ein erfindungsgemäßer Brenner, der insbesondere als Brenner für eine Gasturbine ausgestaltet sein kann, umfasst wenigstens ein Düsenrohr sowie eine mit dem Düsenrohr in Verbindung stehende Brennstofffluidzufuhrleitung zum Zuführen eines Brennstofffluids in das Düsenrohr und ggf. zusätzlich eine mit dem Düsenrohr in Verbindung stehende Luftzufuhrleitung zum Zuführen von Verbrennungsluft in das Düsenrohr. Das Düsenrohr weist eine Düsenaustrittsöffnung auf und ist zum Eindüsen eines Strahls aus Brennstofffluid oder aus einem Gemisch aus Luft und Brennstofffluid in eine Brennkammer ausgestaltet. Das Düsenrohr weist im Bereich der Düsenaustrittsöffnung zur Öffnungsmitte hin vorstehende Elemente auf. Die zur Öffnungsmitte hin vorstehenden Elemente führen im ausgetretenen Strahl so zu einer Erhöhung der turbulenten Fluktuationen im Bereich der Grenzfläche zwischen dem Strahl und den rezirkulierten Verbrennungsabgasen, was wiederum das Mitreißen der Verbrennungsabgase verstärkt. Als Konsequenz hiervon wird die Stabilität der Flamme erhöht. Die vorstehenden Elemente durch einen bis zur Düsenaustrittsöffnung reichenden Düsenrohrabschnitt mit gewellter Innenumfangsfläche gebildet. Dies führt zu einer Vergrößerung der Oberfläche des aus der Düsenöffnung austretenden Strahls. Da die Zahl der turbulenten Fluktuationen von der Größe der Grenzfläche zwischen dem Strahl und den heißen Reaktionsgasen, d.h. den Verbrennungsgasen, in der Rezirkulationszone abhängt, ist in dieser Realisierung die Verstärkung der Wirbelbildung im Wesentlichen auf die vergrößerte Strahloberfläche zurückzuführen.
  • Die gewellte Innenumfangsfläche an der Düsenaustrittsöffnung ist derart ausgestaltet, dass sie eine maximale Auslenkung A um einen mittleren Öffnungsradius R der Düsenaustrittsöffnung aufweist und das Verhältnis der Auslenkung zum mittleren Öffnungsradius durch die Beziehung 0 , 03 < / R A < 0 , 2
    Figure imgb0001

    gegeben ist.
  • Die gewellte Innenumfangsfläche kann insbesondere die Form einer sich über den Umfang der Düsenaustrittsöffnung erstreckenden Sinuswelle aufweisen. Aber auch andere im weitesten Sinne gewellte Formen, wie etwa Sägezahnformen, sind möglich.
  • In einer Weiterbildung des Brenners mit der gewellten Innenumfangsfläche weist das Düsenrohr einen von der Düsenöffnung entfernten Düsenrohrabschnitt und einen Übergangsabschnitt auf. Der Übergangsabschnitt stellt einen Übergang von dem Düsenrohrabschnitt mit rundem Öffnungsquerschnitt zu dem Düsenrohrabschnitt mit der gewellten Innenumfangsfläche dar. Die maximale Amplitude der gewellten Innenumfangsfläche wird unmittelbar an der Düsenaustrittsöffnung erreicht. Das Verhältnis der Länge LT des Übergangsbereiches zur maximalen Amplitude A ist durch die Formel 1 < / 2 A L T < 5
    Figure imgb0002

    gegeben. Im durch die Formel gegebenen Verhältnis der Länge des Übergangsbereiches zur maximalen Amplitude lassen sich besonders vorteilhafte Resultate für die Flammenstabilität erzielen.
  • Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verbrennungssystem mit einer Brennkammer und einem erfindungsgemäßen Brenner zur Verfügung gestellt. Der Brenner umfasst wenigstens ein Düsenrohr sowie eine mit dem Düsenrohr in Verbindung stehende Brennstofffluidzufuhrleitung zum Zuführen eines Brennstofffluids in das Düsenrohr und ggf. zusätzlich eine mit dem Düsenrohr in Verbindung stehende Luftzufuhrleitung zum Zuführen von Verbrennungsluft in das Düsenrohr. Das Düsenrohr weist eine in die Brennkammer mündende Düsenaustrittsöffnung auf und ist zum Eindüsen eines Strahls aus Brennstofffluid oder einem Gemisch aus Luft und Brennstofffluid in die Brennkammer ausgestaltet. In dem erfindungsgemäßen Verbrennungssystem steht das Düsenrohr in die Brennkammer vor. Insbesondere kann das Düsenrohr einen Öffnungsdurchmesser D aufweisen und über eine Länge L in die Brennkammer vorstehen, wobei das Verhältnis der Länge L zum Öffnungsdurchmesser D durch die Beziehung 0 , 3 < / D L < 3
    Figure imgb0003

    gegeben ist. Das Vorstehen des Düsenrohres in die Brennkammer erhöht den Effekt, den das Mitreißen von heißen Verbrennungsabgasen der Rezirkulationszone auf den Strahl ausübt, weil die Düsenaustrittsöffnung nähr an die Rezirkulationszone herangeführt oder gar in diese hineingeführt ist.
  • Das in die Brennkammer vorstehende Düsenrohr kann insbesondere im Bereich der Düsenaustrittsöffnung mit zur Öffnungsmitte hin vorstehenden Elementen, wie sie mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Brenner beschrieben worden sind, ausgestattet sein. Mit anderen Worten, der Brenner ist ein erfindungsgemäßer Brenner.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
  • Fig. 1
    zeigt ein erfindungsgemäßes Verbrennungssystem mit einem Brenner und einer Brennkammer in einer sche- matisierten, geschnittenen Seitenansicht.
    Fig. 2
    zeigt eine Draufsicht auf die Düsenaustrittsöffnung des Brenners aus Fig. 1.
    Fig. 3
    zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für ein er- findungsgemäßes Verbrennungssystem mit einem Bren- ner und einer Brennkammer in einer schematisierten, geschnittenen Seitenansicht.
  • Ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verbrennungssystem ist in einer stark schematisierten Darstellung in Fig. 1 gezeigt. Die Figur stellt einen Schnitt durch die Längsachse des Verbrennungssystems dar und zeigt einen Brenner 1 und eine Brennkammer 3.
  • Der Brenner ist zum Erzeugen einer Strahlflamme (jet flame) 5 ausgebildet. Er umfasst ein Düsenrohr 7, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer Brennstoffzufuhrleitung 9 und einer Luftzufuhrleitung 11 in Verbindung steht. Das über die Brennstoffzufuhrleitung 9 zugeführte Brennstofffluid, beispielsweise Gas (etwa Erdgas) oder Öl (etwa Heizöl), wird in einem Mischer 13 gemischt und dem Düsenrohr 7 zugeführt. Über eine Düsenaustrittsöffnung 15 wird das vorgemischte Luft/Brennstoffgemisch in die Brennkammer 3 eingedüst, um die Strahlflamme 5 zu bilden. Üblicherweise steht der Durchmesser der Düsenaustrittsöffnung mit der Abmessung der Brennkammeröffnung W im Verhältnis 1 < W/D < 4.
  • Im äußeren Bereich der Brennkammer 3 bildet sich bei vorliegender Strahlflamme 5 eine Rezirkulationszone 6 aus, in welcher heiße Verbrennungsabgase im radial äußeren Bereich der Brennkammer 3 in Richtung auf den Brenner 7 zurückströmen und im stromauf gelegenen Bereich der Brennkammer 3 in ihrer Bewegungsrichtung in Richtung auf den radial inneren Bereich der Brennkammer abgelenkt werden. Zwischen dem rezirkulierten Abgas 17 und der Umfangsfläche des Luft/Brennstoffgemisches in der Strahlflamme 5 treten Scherkräfte auf, welche das rezirkulierte Abgas 17 in Strömungsrichtung F des Luft/Brennstoffgemisches mitreißen. Aufgrund dieses Mitreißeffektes wird die Strahlflamme 5 in der Brennkammer 3 stabilisiert. Für den Mitreißeffekt sind in erster Linie turbulente Fluktuationen in der Umfangsfläche der Strahlflamme 5 verantwortlich.
  • Das Düsenrohr 7 des Brenners 1 weist im Bereich der Düsenaustrittsöffnung 15 eine gewellte Rohrwand 19 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Wellung dadurch realisiert, dass die Rohrwand 19 die Form einer um einen mittleren Rohrradius R mit einer Amplitude A oszillierenden stehenden Sinuswelle aufweist. Die Wellung kann jedoch auch Einarbeiten einer in Umfangsrichtung des Düsenrohres sinusförmigen Kontur in seine Innenwandung realisiert sein. Die Wellung braucht aber nicht zwingend Sinusform aufzuweisen. Andere Formen, wie etwa Sägezahnformen, sind möglich.
  • Die Amplitude A der Wellung weist an der Düsenaustrittsöffnung 15 ihren maximalen Wert auf. Sie verringert sich zu stromaufwärts gelegenen Rohrabschnitten hin, bis schließlich ein Rohrabschnitt 21 erreicht ist, in dem das Rohr einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Der Übergangsbereich, in dem die Amplitude von ihrem Maximalwert A auf Null abnimmt, besitzt in Axialrichtung des Düsenrohres 7 eine Länge LT. Das Verhältnis der Länge LT des Übergangsbereiches zur maximalen Amplitude A ist durch die Beziehung 1 < / 2 A L T < 5
    Figure imgb0004

    gegeben.
  • Aufgrund der Wellung des Düsenrohres 7 im Bereich Düsenaustrittsöffnung 15 ist die Oberfläche des aus der Düsenaustrittsöffnung 15 austretenden Strahls aus Luft/Brennstoffgemisch im Vergleich zu einem aus einer Düsenaustrittsöffnung mit rundem Querschnitt und dem Radius R austretenden Strahl aus Luft/Brennstoffgemisch vergrößert. Die Vergrößerung der Oberfläche des Strahls führt zu mehr turbulenten Fluktuationen und somit zu einer Verstärkung des beschriebenen Mitreißeffektes. Besonders vorteilhaft lässt sich der Mitreißeffekt verstärken, wenn das Verhältnis der Auslenkung A der Wellung zum mittleren Radius R der Düsenaustrittsöffnung durch die Beziehung 0 , 03 < / R A < 0 , 2
    Figure imgb0005

    gegeben ist. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass Fig. 2 lediglich beispielhaft und schematisch für die Form der Wellung steht. Insbesondere kann die Zahl der Wellenberge und Wellentäler auch kleiner oder größer sein, als dies in Fig. 2 dargestellt ist.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verbrennungssystem ist in Fig. 3 dargestellt. Die Figur stellt das Verbrennungssystem in einem Schnitt entlang seiner Längsachse dar und zeigt einen Brenner 201 und eine Brennkammer 203.
  • Der Brenner umfasst ein Düsenrohr 207, eine Brennstoffzufuhrleitung 209 und eine Luftzufuhrleitung 211 sowie einen Mischer 213, der dem Düsenrohr 207 vorgeschaltet ist und in den die Brennstoffzufuhrleitung 209 und die Luftzufuhrleitung 211 münden. Im Unterschied zum Brenner im ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verbrennungssystems weist das Düsenrohr 207 weder eine Wellung noch Deltaflügel im Bereich seiner Düsenaustrittsöffnung 215 auf. Es sei an dieser Stelle aber erwähnt, dass der Brenner auch im zweiten Ausführungsbeispiel des Verbrennungssystems mit einer Wellung oder mit Deltaflügeln im Bereich seiner Düsenaustrittsöffnung 215 ausgestattet sein kann.
  • Im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Verbrennungssystem ragt das Düsenrohr 207 in dem in Fig. 5 dargestellten Verbrennungssystem um die Strecke L in die Brennkammer 203 hinein. Die Strecke L, um die das Düsenrohr 207 in die Brennkammer 203 hineinragt, steht mit dem Öffnungsdurchmesser D des Düsenaustrittsöffnung vorzugsweise in einer Beziehung, die durch 0 , 3 < / D L < 3
    Figure imgb0006

    gegeben ist. Aufgrund des Hineinragens in die Brennkammer 203 kann die Düsenaustrittsöffnung 215 näher an die Rezirkulationszone in der Brennkammer herangeführt werden, sodass bereits kurz nach dem Austritt des Strahls 205 aus der Düsenaustrittsöffnung 215 der Mitreißeffekt eintritt. Der Mitreißeffekt kann daher die Strahlflamme 205 weitestgehend über ihre gesamte Länge stabilisieren.
  • Mit Hilfe der Erfindung wird der Mitreißeffekt für die heißen Gase in der äußeren Rezirkulationszone erhöht. Zudem gewährleisten die erhöhten turbulenten Fluktuationen einen gleichmäßige Verbrennung mit niedrigen akustischen Amplituden, sodass das Auftreten von Verbrennungsschwingungen unterdrückt wird. Eine Optimierung der Stabilität der Strahlflamme kann durch Kombinieren der in den Figuren 1 und 2 dargstellten Brenner mit dem in Fig. 3 dargestellten Verbrennungssystem herbeigeführt werden.

Claims (6)

  1. Brenner (1, 101), insbesondere für eine Gasturbine, mit wenigstens einem Düsenrohr (7, 107) sowie einer mit dem Düsenrohr (7, 107) in Verbindung stehenden Brennstofffluidzufuhrleitung (9) zum Zuführen eines Brennstofffluides in das Düsenrohr (7, 107), wobei das Düsenrohr (7, 107) eine Düsenaustrittsöffnung (15, 115) aufweist und zum Eindüsen eines Strahls (5) aus Brennstofffluid oder aus einem Gemisch aus Luft und Brennstofffluid in eine Brennkammer (3) ausgestaltet ist, wobei das Düsenrohr (7, 107) im Bereich der Düsenaustrittsöffnung (15, 115) zur Öffnungsmitte hin vorstehende Elemente (19, 119) aufweist, wobei die vorstehende Elemente durch einen bis zur Düsenaustrittsöffnung (15) reichenden Düsenrohrabschnitt mit gewellter Innenumfangsfläche (19) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die gewellte Innenumfangsfläche (19) an der Düsenaustrittsöffnung (15) eine maximale Auslenkung A um einen mittleren Öffnungsradis R der Düsenaustrittsöffnung (15) aufweist und das Verhältnis der Auslenkung zum mittleren Öffnungsradius durch die Beziehung 0 , 03 < / R A < 0 , 2
    Figure imgb0007

    gegeben ist.
  2. Brenner (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gewellte Innenumfangsfläche (19) die Form einer Sinuswelle aufweist.
  3. Brenner (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gewellte Innenumfangsfläche (19) Sägezahnform aufweist.
  4. Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenrohr (7) einen von der Düsenöffnung (15) entfernten Düsenrohrabschnitt (21) mit einem runden Öffnungsquerschnitt und einen Übergangsabschnitt von dem Düsenrohrabschnitt (21) mit dem runden Öffnungsquerschnitt zum Düsenrohrabschnitt mit der gewellten Innenumfangsfläche (19) aufweist, wobei die maximale Amplitude A der gewellten Innenumfangsfläche (19) an der Düsenaustrittsöffnung (15) erreicht wird und das Verhältnis der Länge LT des Übergangsbereiches zur maximalen Amplitude A durch die Beziehung 1 < / 2 A L T < 5
    Figure imgb0008

    gegeben ist.
  5. Verbrennungssystem, insbesondere für eine Gasturbine, mit einer Brennkammer (203) und mit einem Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das Düsenrohr (207) in die Brennkammer vorsteht.
  6. Verbrennungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenrohr (207) einen Öffnungsdurchmesser D aufweist und über eine Länge L in die Brennkammer (203) vorsteht, wobei das Verhältnis des Öffnungsdurchmessers D zur Länge L durch die Beziehung 0 , 3 < / D L < 3
    Figure imgb0009

    gegeben ist.
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