EP2462379A1 - Stabilisierung der flamme eines brenners - Google Patents

Stabilisierung der flamme eines brenners

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EP2462379A1
EP2462379A1 EP10740607A EP10740607A EP2462379A1 EP 2462379 A1 EP2462379 A1 EP 2462379A1 EP 10740607 A EP10740607 A EP 10740607A EP 10740607 A EP10740607 A EP 10740607A EP 2462379 A1 EP2462379 A1 EP 2462379A1
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EP
European Patent Office
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fluid
jet
burner
burner according
nozzle
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EP10740607A
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Matthias Hase
Werner Krebs
Bernd Prade
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/343—Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
    • 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 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/06—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for completing combustion
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    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/38—Nozzles; Cleaning devices therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
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    • F23C2202/00—Fluegas recirculation
    • F23C2202/10—Premixing fluegas with fuel and combustion air
    • 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 
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03282—High speed injection of air and/or fuel inducing internal recirculation

Definitions

  • the present invention relates to a burner for stabilizing the flame of a gas turbine, which comprises a reaction space and several opening into the reaction chamber jet nozzles, wherein the jet nozzles by means of a fluid jet fluid is injected into the reaction space, wherein the fluid in the reaction space to Hot gas is burned, and a method for stabilizing the flame of a burner of a gas turbine.
  • Combustion-based combustion systems offer advantages over spin-stabilized systems due to the distributed heat release zones and the absence of spin-induced vortices, in particular from a thermoacoustic point of view.
  • By a suitable choice of the beam pulse small-scale flow structures can be generated which dissipate acoustically induced heat release fluctuations and thus suppress pressure pulsations that are typical for spin-stabilized flames.
  • the jet flames are stabilized by mixing in hot recirculating gases.
  • the required temperatures of the recirculation zone can not be guaranteed in gas turbines, especially in the lower part load range, by the known ring arrangement of the beams with a central recirculation zone.
  • the stabilization of a jet flame therefore remains an incompletely solved task. It is therefore the object of the present invention to provide an advantageous burner of a gas turbine for stabilizing the flame of such a burner. Another object of the present invention is to provide a To provide some method for stabilizing the flame of such a burner.
  • the torch-related object is achieved by a burner for stabilizing the flame of a burner of a gas turbine according to claim 1.
  • the object related to the method is achieved by specifying a method according to claim 16.
  • the dependent claims contain further, advantageous embodiments of the invention.
  • the burner according to the invention of a gas turbine comprises a reaction space and a plurality of jet nozzles opening into the reaction space.
  • the jet nozzles With the jet nozzles, fluid is injected into the reaction space by means of a fluid jet. The fluid in the reaction space is then burned to hot gas.
  • the invention has recognized that the jet flame based combustion systems are stabilized by mixing in hot recirculating gases. Especially in the lower part load range, however, care must be taken to ensure that additional stabilization mechanisms prevent a partial or complete flame extinction.
  • At least one jet nozzle now has an annular gap which is arranged around the fluid jet. This sucks a portion of the hot gas from the reaction space, so that it flows against the fluid flow direction in the annular gap. According to the invention, the hot gas is now mixed with the fluid jet within the jet nozzle.
  • the annular gap is formed by means of an insert tube.
  • the sucked gases can have a high temperature, which can damage the burner under certain circumstances.
  • the insert tube is at least partially made of high-grade materials with and without coating, e.g. designed as a ceramic version with and without coating.
  • the insert tube has at least one opening in order to inject the hot gas into the fluid jet.
  • the at least one opening is arranged upstream.
  • the hot gas is sucked through the annular gap directly into the nozzle and is injected through the openings in the fluid jet.
  • the openings are therefore mounted in the directly limiting the fluid jet wall.
  • the size of the openings and the height of the annular gap are designed so that a good hot gas mixing in the air or the air / fuel mixture is ensured in the jet nozzle and that in the partial load range, the mixture temperature is brought to a value that ensures reliable ignition ,
  • the openings can be designed as bores or slots, which can also be set at an angle.
  • the insert tube at the upstream end to a thickening. If compressor air, with or without fuel, passes the feed tube past the nozzle to the nozzle, deflection losses can thus be avoided.
  • the thickening is diffused in the flow direction.
  • the insert tube is preferably designed to be diffused in the flow direction in the flow direction.
  • an increase of the static pressure difference between the combustion chamber and the fluid flowing in the nozzle at high speed can also be effected.
  • a second annular channel for guiding combustion air and / or fuel is provided around the insert tube.
  • means for increasing the heat transfer are provided in the second annular channel.
  • these agents are dimples and / or cooling fins and / or wings.
  • all other cooling concepts such as impingement cooling, convective cooling are also conceivable in which the compressor air or the compressor / fuel mixture is added to the reaction space.
  • the cooling air flowing through the second annular channel and / or fuel cools the insert tube thus fluid downstream.
  • the jet nozzle has a nozzle outlet with a diameter D.
  • the nozzle outlet is offset from the annular gap in the flow direction.
  • the offset comprises a length of 0-3 x diameter of the nozzle outlet. This ensures optimum intake, especially in partial load operation.
  • the fluid is compressor air which is premixed with fuel, partially premixed, or non-premixed.
  • the object relating to the method is achieved by specifying a method for stabilizing the flame of a burner of a gas turbine, which comprises a reaction space and a plurality of jet nozzles opening into the reaction space, wherein fluid is injected into the reaction space with the jet nozzles by means of a fluid jet, wherein the fluid is burned in the reaction space, whereby a hot gas is formed.
  • a method for stabilizing the flame of a burner of a gas turbine which comprises a reaction space and a plurality of jet nozzles opening into the reaction space, wherein fluid is injected into the reaction space with the jet nozzles by means of a fluid jet, wherein the fluid is burned in the reaction space, whereby a hot gas is formed.
  • at least one jet nozzle has an annular gap through which the hot gas is partially sucked in and flows into the annular gap counter to the fluid flow direction and is admixed with the fluid jet within the jet nozzle.
  • the fluid preferably flows into the reaction space at high speed.
  • a pressure difference is formed between the reaction space and the fluid jet flowing into the reaction space.
  • the fluid is formed at partial load operation of the burner from a fuel / compressor air mixture, and at full load from compressor air, which has only slightly or no fuel content.
  • These nozzles thus act in partial load operation as a pilot burner with pilot beams.
  • pilot beams are made smaller than the other beams so that less air passes through these nozzles, thus ensuring stabilization under partial load operation.
  • the burner is configured with a plurality of jet nozzles, of which, however, only one or a few nozzles according to the invention are. These then act as "pilot" at partial load as described above, and are supplied with little or no fuel at full load operation, thus avoiding increased NOx values during base load operation.
  • FIG. 1 shows a detail of a gas turbine with a
  • FIG. 2 shows schematically a section through a jet burner transversely to its longitudinal direction
  • Fig. 3 shows schematically a section through another
  • Jet burner transversely to its longitudinal direction
  • FIG. 5 schematically shows a second embodiment of a nozzle 6a according to the invention
  • FIG. 6 shows schematically a third embodiment of a nozzle 6b according to the invention
  • Fig. 7 shows schematically a fourth embodiment of a nozzle 6c according to the invention.
  • 1 shows a section of a gas turbine with a shaft 14 arranged along a shaft and not shown, and a parallel to the shaft axis 14 aligned combustion chamber 16 in a longitudinal section.
  • the combustion chamber 16 is rotationally symmetrical about a combustion chamber axis 18.
  • the combustion chamber axis 18 is arranged in this particular embodiment parallel to the shaft axis 14, wherein it can also run at an angle to the shaft axis 14, in extreme cases perpendicular to this.
  • An annular housing 10 of the combustion chamber 16 surrounds a reaction space 5, which is likewise embodied rotationally symmetrically about the combustion chamber axis 18.
  • an air or air / fuel mixture is introduced into the reaction space 5.
  • the recirculating hot gases 4 in the reaction space are indicated by 1.
  • FIG. 2 shows schematically a section through a
  • Jet burner perpendicular to a shaft axis 14 of the burner.
  • the burner comprises a housing 10, which has a circular gene cross-section. Within the housing 10, a certain number of jet nozzles 3 is arranged substantially annular. Each jet nozzle 3 has a circular cross section.
  • the burner may include a pilot burner 25.
  • FIG. 3 schematically shows a section through a further jet burner, wherein the section runs perpendicular to the center axis of the further burner.
  • the burner also has a housing 10 which has a circular cross-section and in which a number of inner and outer jet nozzles 3,30 is arranged.
  • the jet nozzles 3, 30 each have a circular cross-section, the outer jet nozzles 3 having an equal or larger cross-sectional area than the inner jet nozzles 30.
  • the outer jet nozzles 3 are arranged substantially annularly within the housing 10 and form an outer ring ,
  • the inner jet nozzles 30 are also arranged annularly within the housing 10.
  • the inner jet nozzles 30 form an inner ring that is concentric with the outer jet nozzle ring.
  • FIGS 2 and 3 show only examples of the arrangement of jet nozzles 3,30 within a jet burner. Of course, alternative arrangements, as well as the use of a different number of jet nozzles 3,30 possible.
  • the jet flame-based combustion system offers advantages over spin-stabilized systems due to the distributed heat release zones and the lack of spin-induced vortex advantages, especially from a thermoacoustic point of view.
  • By a suitable choice of the jet pulse small-scale flow structures can be generated which dissipate acoustically induced heat release fluctuations and thus suppress pressure pulsations which are typical for spin-stabilizing flames.
  • Combustion systems are recombined by mixing in hot stabilizing gases. Especially in the lower part load range, however, care must be taken to ensure that additional stabilization mechanisms prevent a partial or complete flame extinction. This is now solved by means of the invention.
  • Fig. 4 shows a jet nozzle 6 according to the invention.
  • the burner comprises a reaction space 5 and a plurality of jet nozzles 6 which open into the reaction space 5.
  • the jet nozzle By means of the jet nozzle, fluid is injected into the reaction space 5 with a fluid jet 2.
  • the fluid In the reaction space 5, the fluid is burned to hot gas 4.
  • the fluid may be a fuel / air mixture, or even be formed from compressor air.
  • an annular gap is now available. This is formed from an insert tube 12.
  • the annular gap 8 is thus arranged around the fluid jet 2.
  • Hot gas 4 is now sucked into the nozzle 6 through this annular gap 8.
  • the particular static pressure difference between the combustion chamber 16 and the reaction chamber 5 and the fluid flowing at high speed fluid is used, which has a lowered static pressure due to the high flow rates.
  • Hot gas 4 now flows back through the annular gap 8 against the flow direction of the fluid jet 2 in the nozzle 6 into the nozzle 6. There, the hot gas 4 is mixed with the fluid jet 2.
  • the hot gas admixture is thus according to the invention within the nozzle 6. This corresponds to a defined mixing of hot gas in the nozzle 6, whereby a reliable ignition and thus a reliable stabilization of the entire burner is ensured.
  • the stabilization is particularly advantageous at partial load operation. According to the invention, therefore, only one or a few nozzles 6 of a jet burner can be used with this device for suction of hot gas 4 be configured. These can act as pilot burners at partial load operation.
  • the fluid may be a fuel / air mixture. To this end, it may additionally be advantageous that these "pilot jets" are made smaller than the other jets so that less compressor air passes through these nozzles 6. In full-load operation or near full load, the fluid is only supplied with little or no fuel. The fluid can then consist essentially of compressor air, which means that increased NOx values can be avoided in the case of base load.
  • the hot gas is sucked in through the annular gap 8. This is formed by an insert tube 12. Upstream in the insert tube 12, one or more openings 11 are formed, by means of which the hot gas 4 can be added to the fluid jet 2.
  • the openings 11 are in the insert tube 12 on the radiation side, that is arranged in the beam limiting wall.
  • the openings 11 can be designed as bores.
  • the size of the openings 11 and the radial height H of the annular gap 8 are designed so that a good
  • Hot gas mixing is ensured in the fluid jet 2 in the jet nozzle 6.
  • the nozzle 6 also has a nozzle outlet 22 with a diameter D.
  • the nozzle outlet 22 can be arranged opposite the annular gap 8 offset in the flow direction.
  • the offset 24 has a length L of 0mm-3x D (mm), where D is the diameter of the nozzle outlet 22.
  • the mixture temperature is brought to a value that ensures reliable ignition and thus a reliable stabilization of the entire burner in all driving ranges.
  • the fluid jet 2 may consist of an air / fuel mixture of different mixing quality.
  • the jet flame itself may be premixed, partially premixed or non-premixed.
  • Fig. 5 shows a further second embodiment of a nozzle 6a according to the invention.
  • a second annular channel 20 is present, which is arranged around the annular gap 8 around.
  • This annular channel 20 can essentially be designed to guide the compressor air or the air / fuel mixture to the nozzle inlet 28.
  • the combustion air or the fuel / air mixture can be used for cooling especially the radially outer wall of the insert tube 12. This is advantageous because the aspirated gases have a high temperature which otherwise could potentially damage the burner.
  • the annular channel 20 may also be designed with heat transfer increasing measures.
  • the hot gas-carrying passages so in particular the insert tube 12 made of high-quality materials, e.g. be made of ceramic or Keramikenthaitigen materials, the materials may still be coated.
  • FIG. 6 and Fig. 7 show further embodiments of a nozzle according to the invention 6b and 6c. These show nozzles which in particular increase the static pressure difference between the combustion chamber 16 or the reaction space 5 and the fluid jet flow 2 at the level of the mixing point.
  • FIG. 6 shows an insert tube 12a, which has a thickening 15 at the upstream end. The thickening 15 is executed rounded. Thus, wise deflection losses of the compressor air or the fuel / air mixture in the annular channel 20 can be avoided.
  • the thickening 15 may be formed diffusely 16 in the flow direction. This results in a particularly efficient pressure difference increase.
  • the openings 11 can also be designed as slots, which are optionally provided obliquely to.
  • Fig. 7 has a nozzle 6c, wherein the insert tube 12b is formed in the flow direction diffused 21 fluid flow side. Again, there is a particularly efficient pressure difference increase.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner einer Gasturbine, welcher einen Reaktionsraum (5) und mehrere in den Reaktionsraum (5) mündende Strahldüsen (6) umfasst, wobei mit den Strahldüsen (6) mittels eines Fluidstrahls (2) durch einen Austritt (22) Fluid in den Reaktionsraum (5) eingedüst wird, wobei das Fluid im Reaktionsraum (5) zu Heißgas (4) verbrannt wird wobei bei mindestens einer Strahldüse (6, 6a, 6b, 6c) ein Ringspalt (8) um den Fluidstrahl (2) so angeordnet ist, dass ein Teil des Heißgases (4) aus dem Reaktionsraum (5) angesaugt wird und entgegen der Fluidströmrichtung in den Ringspalt (8) einströmt und innerhalb der Strahldüse (6,6a, 6b, 6c) mit dem Fluidstrahl (2) vermischt wird und wobei der Ringspalt (8) mittels eines Einsatzrohres (12, 12a, 12b) gebildet ist, und wobei das Einsatzrohr (12a) am stromaufwärtigen Ende eine Verdickung (15) aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Stabilisierung der Flamme eines solchen Brenners einer Gasturbine.

Description

Beschreibung
Stabilisierung der Flamme eines Brenners Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner zur Stabilisierung der Flamme einer Gasturbine, welcher einen Reaktionsraum und mehrere in den Reaktionsraum mündende Strahldüsen umfasst, wobei mit den Strahldüsen mittels eines Fluidstrahls Fluid in den Reaktionsraum eingedüst wird, wobei das Fluid im Reaktionsraum zu Heißgas verbrannt wird, sowie ein Verfahren zur Stabilisierung der Flamme eines Brenners einer Gasturbine .
Auf Strahlflammen basierende Verbrennungssysteme bieten ge- genüber drallstabilisierten Systemen aufgrund der verteilten Wärmefreisetzungszonen und der fehlenden drallinduzierten Wirbel insbesondere aus thermoakustischer Sicht Vorteile. Durch geeignete Wahl des Strahlimpulses lassen sich kleinska- lige Strömungsstrukturen erzeugen, die akustisch induzierte Wärmefreisetzungsfluktuationen dissipieren und somit Druckpulsationen, die für drallstabilisierte Flammen typisch sind, unterdrücken .
Die Strahlflammen werden durch Einmischen heißer rezirkulie- render Gase stabilisiert. Die hierfür nötigen Temperaturen der Rezirkulationszone können in Gasturbinen, insbesondere im unteren Teillastbereich, durch die bekannte Ringanordnung der Strahlen mit einer zentralen Rezirkulationszone nicht gewährleistet werden. Besonders im Teillastbereich muss daher dafür beachtet werden, dass durch zusätzliche Stabilisierungsmechanismen ein partielles bzw. komplettes Flammenverlöschen vermieden wird. Die Stabilisierung einer Strahlflamme bleibt daher eine nicht vollständig gelöste Aufgabe. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Brenner einer Gasturbine zur Stabilisierung der Flamme eines solchen Brenners zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vor- teilhaftes Verfahren zur Stabilisierung der Flamme eines solchen Brenners zur Verfügung zu stellen.
Die auf den Brenner bezogene Aufgabe wird durch einen Brenner zur Stabilisierung der Flamme eines Brenners einer Gasturbine nach Anspruch 1 gelöst. Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird durch die Angabe eines Verfahrens nach Anspruch 16 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Dabei umfasst der erfindungsgemäße Brenner einer Gasturbine einen Reaktionsraum und mehrere in den Reaktionsraum mündende Strahldüsen. Mit den Strahldüsen wird mittels eines FIu- idstrahls Fluid in den Reaktionsraum eingedüst. Das Fluid im Reaktionsraum wird anschließend zu Heißgas verbrannt.
Die Erfindung hat erkannt, dass die auf Strahlflammen basierenden Verbrennungssysteme durch Einmischen heißer rezirkulierender Gase stabilisiert werden. Besonders im unteren Teillastbereich muss allerdings dafür Sorge getragen werden, dass durch zusätzliche Stabilisierungsmechanismen ein partielles bzw. komplettes Flammenverlöschen vermieden wird.
Erfindungsgemäß ist nun bei mindestens einer Strahldüse ein Ringspalt vorhanden, der um den Fluidstrahl angeordnet ist. Dieser saugt einen Teil des Heißgases aus dem Reaktionsraum an, so dass dieser entgegen der Fluidströmrichtung in den Ringspalt einströmt. Erfindungsgemäß wird nun innerhalb der Strahldüse das Heißgas mit dem Fluidstrahl vermischt.
Dies gewährleistet eine definierte Einmischung von Heißgasen in einen oder mehrere Strahlen eines Strahlbrenners, der somit eine verlässliche Zündung und damit eine verlässliche Stabilisierung des Gesamtbrenners gewährleistet. Die Heißgaseinmischung geschieht dabei bereits in der Strahldüse. Erfin- dungsgemäß wird zur Ansaugung die statische Druckdifferenz zwischen Brennkammer/Reaktionsraum und dem mit hoher Geschwindigkeit strömenden Fluid in der Düse genutzt, welches durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten einen abgesenkten statischen Druck aufweist.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Ringspalt mittels eines Einsatzrohres gebildet. Die eingesaugten Gase können eine hohe Temperatur haben, welche unter Umständen den Brenner schädigen können. Bevorzugt ist daher das Einsatzrohr zumindest teilweise aus hochwertigen Werkstoffen mit und ohne Be- schichtung z.B. als keramische Ausführung mit und ohne Be- Schichtung ausgeführt.
Bevorzugt weist das Einsatzrohr mindestens eine Öffnung auf, um das Heißgas in den Fluidstrahl einzudüsen. In bevorzugter Ausgestaltung ist die mindestens eine Öffnung stromaufwärts angeordnet. Das Heißgas wird durch den Ringspalt direkt in die Düse eingesaugt und wird durch die Öffnungen in den Fluidstrahl eingedüst. Die Öffnungen sind daher in der direkt den Fluidstrahl begrenzenden Wand angebracht. Die Größe der Öffnungen als auch die Höhe des Ringspalts werden dabei so ausgelegt, dass eine gute Heißgaseinmischung in die Luft bzw. das Luft/Brennstoffluftgemisch in der Strahldüse gewährleistet ist und dass im Teillastbereich die Gemischtemperatur auf einen Wert gebracht wird, der eine sichere Zündung gewährleistet. Die Öffnungen können als Bohrung oder Schlitze aus- geführt sein, welche auch unter einem Winkel angestellt sein können .
In bevorzugter Ausgestaltung weist das Einsatzrohr am stromaufwärtigen Ende eine Verdickung auf. Wird Verdichterluft mit oder ohne Brennstoff als Fluid am Einsatzrohr vorbei zu der Düse geführt, so können somit Umlenkverluste vermieden werden. Vorteilhafterweise ist die Verdickung in Strömungsrichtung diffus ausgebildet. Somit kann eine Erhöhung der statischen Druckdifferenz zwischen der Brennkammer und den in der Düse mit hoher Geschwindigkeit strömenden Fluid bewirkt werden . Bevorzugt ist das Einsatzrohr fluidstromseitig in Strömungsrichtung diffus ausgebildet. Somit kann ebenfalls eine Erhöhung der statischen Druckdifferenz zwischen der Brennkammer und den in der Düse mit hoher Geschwindigkeit strömenden FIu- id bewirkt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist um das Einsatzrohr ein zweiter Ringkanal zur Führung von Verbrennungsluft und/oder Brennstoff vorgesehen. Vorteilhafterweise sind in dem zweiten Ringkanal Mittel zur Erhöhung des Wärmeübergangs vorgesehen. Dies bewirkt, dass das heißgasführende Einsatzrohr effizient gekühlt wird. Bevorzugt sind diese Mittel Dimpel und/oder Kühlrippen und/oder Wings . Allerdings sind auch alle anderen Kühlkonzepte wie Prallkühlung, Konvektivkühlung vorstellbar bei denen die Verdichterluft bzw. das Verdichter/Brennstoffgemisch in den Reaktionsraum gegeben wird. In bevorzugter Ausgestaltung kühlt die durch den zweiten Ringkanal strömende Kühlluft und/oder Brennstoff das Einsatzrohr damit fluidabstromseitig.
Vorteilhafterweise weist die Strahldüse einen Düsenauslass mit Durchmesser D auf. Bevorzugt ist der Düsenauslass gegenüber dem Ringspalt in Strömungsrichtung versetzt angeordnet. Vorteilhafterweise umfasst der Versatz eine Länge von 0-3 x Durchmesser des Düsenauslasses. Damit wird eine optimale Ansaugung vor allem im Teillastbetrieb gewährleistet.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Fluid Verdichterluft, welche mit Brennstoff vorgemischt, teilvorgemischt oder nicht-vorgemischt ist.
Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird durch die Angabe eines Verfahrens zur Stabilisierung der Flamme eines Brenners einer Gasturbine gelöst, welcher einen Reaktionsraum und meh- rere in den Reaktionsraum mündende Strahldüsen umfasst, wobei mit den Strahldüsen mittels einem Fluidstrahl Fluid in den Reaktionsraum eingedüst wird, wobei im Reaktionsraum das Fluid verbrannt wird, wodurch ein Heißgas entsteht. Erfindungsgemäß ist bei mindestens einer Strahldüse ein Ringspalt vorhanden, durch den das Heißgas teilweise angesaugt wird und entgegen der Fluidströmrichtung in den Ringspalt einströmt und innerhalb der Strahldüse dem Fluidstrahl beige- mischt wird.
Bevorzugt strömt das Fluid mit hoher Geschwindigkeit in den Reaktionsraum ein. Vorteilhafterweise wird zwischen dem Reaktionsraum und den in den Reaktionsraum strömenden Fluidstrahl eine Druckdifferenz gebildet.
Bevorzugt wird das Fluid bei Teillastbetrieb des Brenners aus einem Brennstoff/Verdichterluft Gemisch gebildet, und bei Volllast aus Verdichterluft, welche nur noch geringfügig oder gar keinen Brennstoffanteil aufweist. Diese Düsen wirken somit im Teillastbetrieb als Pilotbrenner mit Pilotstrahlen. Hierzu kann es zusätzlich vorteilhaft sein, dass diese „Pilotstrahlen" kleiner ausgeführt werden als die anderen Strahlen, damit weniger Luft durch diese Düsen tritt. Somit ist eine Stabilisierung bei Teillastbetrieb gewährleistet.
Es ist weiterhin vorteilhaft, dass der Brenner mit mehreren Strahldüsen ausgestaltet ist, von denen jedoch nur eine bzw. einige wenige erfindungsgemäße Düsen sind. Diese wirken dann bei Teillast wie oben beschrieben als „Pilot" und werden bei Volllastbetrieb mit wenig oder gar keinem Brennstoff beaufschlagt. Somit wird vermieden, dass bei Grundlastbetrieb erhöhte NOx Werten entstehen. Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
Darin zeigen:
FIG 1 einen Ausschnitt aus einer Gasturbine mit einer
Brennkammer in einem Längsschnitt entlang einer Wellenachse nach dem Stand der Technik, Fig. 2 schematisch einen Schnitt durch einen Strahlbrenner quer zu dessen Längsrichtung, Fig. 3 schematisch einen Schnitt durch einen weiteren
Strahlbrenner quer zu dessen Längsrichtung,
Fig. 4 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Düse 6,
Fig. 5 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Düse 6a,
Fig. 6 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Düse 6b,
Fig. 7 schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Düse 6c. FIG 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Gasturbine mit einer entlang einer Wellenachse 14 angeordneten und nicht dargestellten Welle und einer parallel zur Wellenachse 14 ausgerichteten Brennkammer 16 in einem Längsschnitt. Die Brennkammer 16 ist rotationssymmetrisch um eine Brennkammerachse 18 aufgebaut. Die Brennkammerachse 18 ist in diesem speziellen Ausführungsbeispiel parallel zur Wellenachse 14 angeordnet, wobei sie auch angewinkelt zur Wellenachse 14, im Extremfall senkrecht zu dieser verlaufen kann. Ein ringförmiges Gehäuse 10 der Brennkammer 16 umgibt einen Reaktionsraum 5, der eben- falls rotationssymmetrisch um die Brennkammerachse 18 ausgeführt ist. Mittels einer Strahldüse 3 des Stands der Technik wird ein Luft bzw. Luft/Brennstoffgemisch in den Reaktionsraum 5 eingebracht. Die rezirkulierenden Heißgase 4 im Reaktionsraum sind mit 1 angegeben.
Die Figur 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen
Strahlbrenner senkrecht zu einer Wellenachse 14 des Brenners. Der Brenner umfasst ein Gehäuse 10, welches einen kreisförmi- gen Querschnitt aufweist. Innerhalb des Gehäuses 10 ist eine bestimmte Anzahl an Strahldüsen 3 im Wesentlichen ringförmig angeordnet. Jede Strahldüse 3 weist dabei einen kreisförmigen Querschnitt auf. Außerdem kann der Brenner einen Pilotbrenner 25 umfassen.
Die Figur 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen weiteren Strahlbrenner, wobei der Schnitt senkrecht zur Mittelachse des weiteren Brenners verläuft. Der Brenner weist eben- falls ein Gehäuse 10 auf, welches einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und in welchem eine Anzahl innerer und äußerer Strahldüsen 3,30 angeordnet ist. Die Strahldüsen 3,30 weisen jeweils einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei die äußeren Strahldüsen 3 eine gleich große oder größere Quer- schnittsfläche besitzen als die inneren Strahldüsen 30. Die äußeren Strahldüsen 3 sind im Wesentlichen ringförmig innerhalb des Gehäuses 10 angeordnet und bilden einen äußeren Ring. Die inneren Strahldüsen 30 sind ebenfalls innerhalb des Gehäuses 10 ringförmig angeordnet. Die inneren Strahldüsen 30 bilden einen inneren Ring, der konzentrisch zu dem äußeren Strahldüsenring angeordnet ist.
Die Figuren 2 und 3 zeigen lediglich Beispiele für die Anordnung von Strahldüsen 3,30 innerhalb eines Strahlbrenners. Selbstverständlich sind alternative Anordnungen, ebenso wie die Verwendung einer anderen Anzahl an Strahldüsen 3,30 möglich.
Die auf Strahlflammen basierenden Verbrennungssystem bieten gegenüber drallstabilisierten Systemen aufgrund der verteilten Wärmerfreisetzungszonen und der fehlenden drallinduzierten Wirbel insbesondere aus thermoakustischer Sicht Vorteile. Durch geeignete Wahl des Strahlimpulses lassen sich kleinska- lige Strömungsstrukturen erzeugen, die akustisch induzierte Wärmefreisetzungsfluktuationen dissipieren und somit Druckpulsationen, die typisch für drallstabilisierende Flammen sind, unterdrücken. Die auf Strahlflammen basierenden
Verbrennungssysteme werden durch Einmischen heißer rezirku- lierender Gase stabilisiert. Besonders im unteren Teillastbereich muss allerdings dafür Sorge getragen werden, dass durch zusätzliche Stabilisierungsmechanismen ein partielles bzw. komplettes Flammenverlöschen vermieden wird. Dies wird mit- hilfe der Erfindung nun gelöst.
Fig. 4 zeigt eine Strahldüse 6 gemäß der Erfindung. Hierbei umfasst der Brenner einen Reaktionsraum 5 und mehrere in den Reaktionsraum 5 mündende Strahldüsen 6. Mittels der Strahldü- se wird mit einem Fluidstrahl 2 Fluid in den Reaktionsraum 5 eingedüst. In dem Reaktionsraum 5 wird das Fluid zu Heißgas 4 verbrannt .
Dabei kann das Fluid ein Brennstoff/Luft Gemisch sein, oder auch nur aus Verdichterluft gebildet werden.
In der Strahldüse 6 ist nun ein Ringspalt vorhanden. Dieser wird aus einem Einsatzrohr 12 gebildet. Der Ringspalt 8 ist somit um den Fluidstrahl 2 angeordnet. Durch diesen Ringspalt 8 wird nun Heißgas 4 in die Düse 6 angesaugt. Zur Ansaugung des Heißgases 4 wird die insbesondere statische Druckdifferenz zwischen der Brennkammer 16 bzw. dem Reaktionsraum 5 und dem mit hoher Geschwindigkeit strömenden Fluid genutzt, welches durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten einen abge- senkten statischen Druck aufweist. Durch den Ringspalt 8 strömt nun Heißgas 4 entgegen der Strömungsrichtung des FIu- idstrahls 2 in der Düse 6 in die Düse 6 zurück. Dort wird das Heißgas 4 dem Fluidstrahl 2 beigemischt. Die Heißgasbeimischung erfolgt somit erfindungsgemäß innerhalb der Düse 6. Dies entspricht einer definierten Einmischung von Heißgas in der Düse 6, wodurch eine verlässliche Zündung und somit eine verlässliche Stabilisierung des Gesamtbrenners gewährleistet wird.
Die Stabilisierung ist insbesondere bei Teillastbetrieb vorteilhaft. Erfindungsgemäß können somit nur ein oder wenige Düsen 6 eines Strahlbrenners mit dieser Vorrichtung zur An- saugung von Heißgas 4 ausgestaltet sein. Diese können bei Teillastbetrieb als Pilotbrenner wirken. Das Fluid kann dabei ein Brennstoff/Luft Gemisch sein. Hierzu kann es zusätzlich vorteilhaft sein, dass diese „Pilotstrahlen" kleiner ausge- führt werden als die anderen Strahlen, damit weniger Verdichterluft durch diese Düsen 6 tritt. Im Volllastbetrieb oder nahe der Volllast wird das Fluid nur noch mit wenig oder gar keinem Brennstoff beaufschlagt. Das Fluid kann dabei dann im Wesentlichen aus Verdichterluft bestehen. Somit können erhöh- te NOx-Werte bei Grundlast vermieden werden.
Das Heißgas wird dabei über den Ringspalt 8 angesaugt. Dieser wird durch ein Einsatzrohr 12 gebildet. Stromaufwärts im Einsatzrohr 12 sind ein oder mehrere Öffnungen 11 gebildet, mittels denen das Heißgas 4 dem Fluidstrahl 2 beigemischt werden kann. Die Öffnungen 11 sind im Einsatzrohr 12 strahl- seitig, das heißt in der den Strahl begrenzenden Wand angeordnet. Die Öffnungen 11 können dabei als Bohrungen ausgeführt sein.
Die Größe der Öffnungen 11 als auch die radiale Höhe H des Ringspalts 8 sind dabei so ausgeführt, dass eine gute
Heißgaseinmischung in den Fluidstrahl 2 in der Strahldüse 6 gewährleistet ist.
Die Düse 6 weist zudem einen Düsenauslass 22 mit Durchmesser D auf. Der Düsenauslass 22 kann gegenüber dem Ringspalt 8 in Strömungsrichtung versetzt angeordert sein. Bevorzugt umfasst der Versatz 24 eine Länge L von 0mm-3x D (mm) , wobei D der Durchmesser des Düsenauslasses 22 ist.
Somit wird gerade im Teillastbereich die Gemischtemperatur auf einen Wert gebracht, die eine sichere Zündung und damit eine verlässliche Stabilisierung des Gesamtbrenners in allen Fahrbereichen gewährleistet.
Der Fluidstrahl 2 kann dabei aus einen Luft/Brennstoffgemisch unterschiedlicher Mischungsgüte bestehen. Die Strahlflamme selber kann dabei vorgemischt, teil- vorgemischt oder nicht- vorgemischt sein.
Fig. 5 zeigt ein weiteres zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Düse 6a. Dabei ist ein zweiter Ringkanal 20 vorhanden, welcher um den Ringspalt 8 herum angeordnet ist. Dieser Ringkanal 20 kann im Wesentlichen zur Führung der Verdichterluft oder des Luft/Brennstoffgemisch zum Düseneinlass 28 ausgestaltet sein. Die Verbrennungsluft bzw. das Brenn- stoff/Luftgemisch kann zur Kühlung besonders der radial äußeren Wand des Einsatzrohres 12 dienen. Dies ist vorteilhaft, da die eingesaugten Gase eine hohe Temperatur aufweisen, die ansonsten potentiell den Brenner schädigen können. Der Ringkanal 20 kann zudem mit wärmeübergangserhöhenden Maßnahmen ausgeführt sein. Dies können beispielsweise Dimpel und/oder Wings oder/und Kühlrippen sein, wie auch eine konvektiv oder Prallkühlung oder andere konventionelle Kühlkonzepte, bei denen die als Kühlluft ausgestaltete Verdichterluft oder das Luft/Brennstoffgemisch in den Reaktionsraum 5 abgegeben wird. Somit wird die Verdichterluft oder das Luft/Brennstoffgemisch zur Kühlung der heißgasführenden Bauteile unter gleichzeitiger Vorwärmung genutzt.
Auch können die heißgasführenden Passagen, also insbesondere das Einsatzrohr 12 aus hochwertigen Werkstoffen z.B. aus keramischen oder Keramikenthaitigen Werkstoffen gefertigt sein, wobei die Werkstoffe noch beschichtet sein können.
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen weitere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Düse 6b und 6c. Diese zeigen Düsen, welche insbesondere die statische Druckdifferenz zwischen der Brennkammer 16 bzw. dem Reaktionsraum 5 und der Fluidstrahlströ- mung 2 in Höhe der Einmischstelle erhöhen. Fig. 6 zeigt dabei ein Einsatzrohr 12a, welches am stromauf- wärtigen Ende eine Verdickung 15 aufweist. Die Verdickung 15 ist dabei abgerundet ausgeführt. Somit können vorteilhafter- weise Umlenkverluste der Verdichterluft bzw. des Brennstoff/Luftgemisches im Ringkanal 20 vermieden werden.
Auch kann die Verdickung 15 in Strömungsrichtung diffus 16 ausgebildet sein. Somit ergibt sich eine besonders effiziente Druckdifferenzerhöhung. Die Öffnungen 11 können dabei auch als Schlitze, welche ggf. schräg an gestellt sind, ausgeführt sein .
Fig. 7 weist eine Düse 6c auf, bei welcher das Einsatzrohr 12b fluidstromseitig in Strömungsrichtung diffus 21 ausgebildet ist. Auch hier ergibt sich eine besonders effiziente Druckdifferenzerhöhung .
Mit der hier vorgestellten Erfindung wird somit eine verläss- liehe Zündung und damit eine verlässliche Stabilisierung des Gesamtbrenners gewährleistet. Dabei werden angesaugte Heißgase 4 über einen Ringspalt 8 um den eigentlichen Strahl, das heißt, dem Fluidstrahl 2 angesaugt, und innerhalb der Düse 6 diesem Strahl 2 beigemischt. Als treibende Kraft wird dabei die statische Druckdifferenz zwischen Brennkammer und Strahlströmung eingesetzt. Insbesondere ist bei Teillastbetrieb eine solche Stabilisierung wichtig.

Claims

Patentansprüche
1. Brenner einer Gasturbine, welcher einen Reaktionsraum (5) und mehrere in den Reaktionsraum (5) mündende Strahldüsen (6) umfasst, wobei mit den Strahldüsen (6) mittels eines FIu- idstrahls (2) durch einen Austritt (22) Fluid in den Reaktionsraum (5) eingedüst wird, wobei das Fluid im Reaktionsraum (5) zu Heißgas (4) verbrannt wird
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
bei mindestens einer Strahldüse (6, 6a, 6b, 6c) ein Ringspalt (8) um den Fluidstrahl (2) so angeordnet ist, dass ein Teil des Heißgases (4) aus dem Reaktionsraum (5) angesaugt wird und entgegen der Fluidströmrichtung in den Ringspalt (8) einströmt und innerhalb der Strahldüse (6,6a, 6b, 6c) mit dem Fluidstrahl (2) vermischt wird, und wobei der Ringspalt (8) mittels eines Einsatzrohres (12, 12a, 12b) gebildet ist, und wobei das Einsatzrohr (12a) am stromaufwärtigen Ende eine Verdickung (15) aufweist.
2. Brenner nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
das Einsatzrohr (12, 12a, 12b) mindestens eine Öffnung (11) aufweist, um das Heißgas (4) in den Fluidstrahl (2) einzudü- sen .
3. Brenner nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die mindestens eine Öffnung (11) stromaufwärts des Austritts (22) angeordnet ist.
4. Brenner nach einem der Ansprüche 1-3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
das Einsatzrohr (12b) fluidstromseitig in Strömungsrichtung diffus (21) ausgebildet ist.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1-4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Verdickung (15) in Strömungsrichtung diffus (17) ausgebildet ist.
6. Brenner nach einem der Ansprüche 1-5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
um das Einsatzrohr (12, 12a, 12b) ein zweiter Ringkanal (20) zur Führung von Verbrennungsluft und/oder Brennstoff vorgese¬ hen ist.
7. Brenner nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
in dem zweiten Ringkanal (20) Mittel zur Erhöhung des Wärme¬ übergangs vorgesehen sind.
8. Brenner nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
diese Mittel Dimpel und/oder Kühlrippen und/oder Wings sind.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 6-8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die so durch den zweiten Ringkanal (20) strömende Luft und/oder Brennstoff das Einsatzrohr (12,12a, 12b) flui- dabstromseitig kühlt.
10. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Strahldüse einen Düsenauslass (22) mit Durchmesser (D) aufweist .
11. Brenner nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
der Düsenauslass (22) gegenüber dem Ringspalt (8) in Strö¬ mungsrichtung versetzt angeordnet ist.
12. Brenner nach Anspruch 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
der Versatz (24) eine Länge von 0 mm-3x Durchmesser (D) mm umfasst .
13. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
das Fluid Verdichterluft ist, welches mit Brennstoff vorge- mischt, teilvorgemischt oder nicht-vorgemischt ist.
14. Verfahren zur Stabilisierung der Flamme eines Brenners einer Gasturbine, welcher einen Reaktionsraum (5) und mehrere in den Reaktionsraum (5) mündende Strahldüsen (6) umfasst, wobei mit den Strahldüsen (6) mittels einem Fluidstrahl (2)
Fluid in den Reaktionsraum (5) eingedüst wird, wobei im Reaktionsraum (5) das Fluid verbrannt wird, wodurch ein Heißgas
(4) entsteht,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
bei mindestens einer Strahldüse (6) ein Ringspalt (8) vorhanden ist, wobei der Ringspalt (8) mittels eines Einsatzrohres (12, 12a, 12b) gebildet ist, und wobei das Einsatzrohr (12a) am stromaufwärtigen Ende eine Verdickung (15) aufweist, wobei durch den Ringspalt (8) das Heißgas (4) teilweise angesaugt wird und entgegen der Fluidströmrichtung in den Ringspalt (8) einströmt und innerhalb der Strahldüse (6) dem Fluidstrahl (2) beigemischt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
das Fluid mit hoher Geschwindigkeit in den Reaktionsraum (5) einströmt .
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14-15,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
zwischen dem Reaktionsraum (5) und dem in den Reaktionsraum
(5) strömenden Fluidstrahl (2) eine Druckdifferenz gebildet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14-16,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
das Fluid bei Teillastbetrieb des Brenners aus einem Brennstoff/Verdichterluft Gemisch gebildet wird, und bei Volllast aus Verdichterluft, welches nur noch geringfügig oder gar keinen Brennstoffanteil aufweist.
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