EP2993406A1 - Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine und Brenner für eine Gasturbine - Google Patents

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EP2993406A1
EP2993406A1 EP14183316.0A EP14183316A EP2993406A1 EP 2993406 A1 EP2993406 A1 EP 2993406A1 EP 14183316 A EP14183316 A EP 14183316A EP 2993406 A1 EP2993406 A1 EP 2993406A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
passage
burner
fuel
primary fuel
primary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14183316.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Hase
Berthold Köstlin
Bernd Prade
Stefan Wyhnalek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP14183316.0A priority Critical patent/EP2993406A1/de
Publication of EP2993406A1 publication Critical patent/EP2993406A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • 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
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • 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
    • 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
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a gas turbine with which pressure pulsations in the combustion chamber of the gas turbine can be reduced.
  • the invention also relates to a burner which is particularly suitable for carrying out the method.
  • At least one burner of the gas turbine is operated accordingly.
  • a burner suitable for carrying out the method comprises a primary fuel passage with a passage exit facing the combustion zone and an air passage arranged adjacent to the primary fuel passage with an air passage exit pointing to the combustion zone.
  • a mixed with fuel or pure compressor air flow from the air passage is introduced adjacent to a flowing from the Primärbrennstoffpassgage primary fuel flow into the combustion zone.
  • the two passage exits can for example be arranged concentrically to one another.
  • a generic burner is for example in the WO 2011 157458 A1 disclosed.
  • the disclosure of the patent specification is included in the present patent application.
  • the primary fuel supply unit of the burner of the prior art is designed to be charged with synthesis gas. This also preferably applies to the burner of the present invention. Due to the lower calorific value of the synthesis gas such passages are designed for particularly high flow rates.
  • the primary fuel supply unit includes a primary mixer tube and a downstream fuel nozzle. To form the fuel passage, the primary mixer tube and the outer wall of the fuel nozzle are spaced from the secondary fuel supply unit. The passage is thus annular space.
  • the fuel nozzle includes a fuel nozzle inlet facing the primary mixing tube and a fuel nozzle exit facing the combustion zone. Downstream of the fuel nozzle inlet and along a first passage section, the height of the primary fuel passage is substantially constant. Adjacent to this first passage section is a second passage section extending up to the fuel nozzle exit.
  • the primary mixing tube and the fuel nozzle could also be integrally formed.
  • the fuel nozzle is arranged as an exchangeable component in the burner.
  • the Indian WO 2011157458 A1 disclosed burner has to reduce pressure pulsations swirl vanes in the primary fuel passage with a specially designed for this purpose inlet length to the fuel nozzle inlet.
  • the invention has for its object to provide a generic burner, which is suitable in the operation of the gas turbine for performing the method and is operable so that at least in a first operating state of the gas turbine pressure pulsations of the gas turbine are particularly effectively avoided or at least reduced.
  • the invention is also based on the object of specifying a method for operating a gas turbine, with which a generic burner in at least a first operating state the gas turbine is operated such that pressure pulsations of the gas turbine are particularly effectively avoided or at least reduced.
  • the object is achieved in a burner of the type mentioned above in that the ratio of the cross-sectional area of the primary fuel passage at the fuel nozzle outlet divided by the cross-sectional area at the beginning of the second passage section is 0.7 to 0.9.
  • the burner according to the invention makes it possible to operate the burner at the same load range and supply pressure at a much lower speed level in the primary fuel passage, which is preferably designed as a synthesis gas passage due to the small reduction in cross-sectional area in the fuel nozzle than in the aforementioned burner of the prior art.
  • the frequencies of the instabilities occurring in the shear flow which are excited in the shear flow between the two fluid streams (ie, the fluid flow emerging from the air passage and the fluid flow emerging from the primary fuel passage), shift to smaller values.
  • These instabilities are pressure fluctuations, especially occurring vortex streets.
  • the instabilities occurring in a shear flow can be due, for example, to so-called Kelvin-Helmholtz instabilities.
  • Kelvin-Helmholtz instabilities In general, at a given operating state of the burner and thus a predetermined Relative velocity in said shear flow an instability of substantially a frequency excited.
  • the relative velocities and proportionally thereto the excited frequencies are at the claimed interval at least a factor of 1.5 to 2 below the frequencies of the burner of the prior art.
  • the burner according to the invention is suitable for carrying out the claimed method, for example burners of a gas turbine of the power class of the gas turbine type SGTx-2000E LC (product name of the applicant).
  • the specified interval makes it possible to obtain relevant areas of fuel split, speed and swirl number.
  • the cross-sectional area of the primary fuel passage along the second passage portion may decrease substantially steadily / continuously.
  • the ratio of the cross-sectional areas is 0.8 to 0.9.
  • the inner side of the outer wall of the fuel nozzle facing the secondary fuel feed unit has a substantially cylindrical jacket-shaped design along the first passage section.
  • a further preferred embodiment of the invention may provide that the outer wall of the fuel nozzle along the second passage portion is formed tapered in the flow direction.
  • the ratio of the height of the primary fuel passage at the fuel nozzle outlet divided by the radius of the fuel nozzle outlet is 0.125 to 0.16, in particular 0.149 to 0.151.
  • the radius of the fuel nozzle exit divided by the radius of the air passage exit 0.5 to 0.6, in particular 0.54 to 0.56, is.
  • a swirl generator can be arranged in the fuel nozzle upstream of the second passage section.
  • the swirl generator may comprise, for example, a number of swirl vanes arranged circumferentially in the fuel nozzle.
  • the swirl generator can for example also consist of fluid acted upon, circumferentially arranged on the outer wall of the fuel nozzle air nozzles, which inject to impinge the passage flow with a swirl, for example, air with a directed in the circumferential direction of the primary fuel passage component.
  • the swirl generator could, for example, also be a disk arranged transversely to the passage and penetrated by a multiplicity of holes extending through the disk.
  • the holes are made according to the desired twist.
  • the spin in the primary fuel passage is defined as the ratio of angular momentum to the product of the nozzle exit radius and the axial momentum of the primary fuel flow flowing in the passage Angular momentum and axial momentum are considered at the nozzle exit.
  • the swirl generator can be selected such that in at least a first operating state of the burner, a swirl of 1.6 to 2.2, in particular from 1.7 to 2.0, in the primary fuel passage can be effected.
  • the claimed interval has proved to be stabilizing for the combustion, in particular at the lower speed level according to the invention in the primary fuel passage. If a swirl generator with swirl blades is formed, the swirl blades are designed in such a way and arranged with a blade angle that the claimed area of the swirl can be effected.
  • the swirl generator comprises a circumferentially arranged in the fuel nozzle number of swirl vanes, each having a leading edge, wherein the inlet length between the fuel nozzle inlet and the leading edge divided by the height in the region of the swirl generator of the primary fuel passage 0.95 to 0.5 , in particular 0.6 to 0.7.
  • the claimed interval has proved to be stabilizing for the combustion, in particular at the lower speed level according to the invention in the primary fuel passage.
  • an advantageous embodiment of the invention can provide that the outer wall of the fuel nozzle comprises a number of injection openings which fluidly connect the primary fuel passage with the air passage, wherein the sum of the cross-sectional areas of the injection openings and their arrangement in the primary fuel passage are selected in that for at least one first operating state of the burner, a primary fuel split in the air passage of 10% - 30%, in particular 15% to 20%, is effected.
  • the claimed interval of the fuel split ensures a broadening of the time delay profile of the primary fuel flow, which has proven to be advantageous or particularly advantageous for the additional reduction of pressure pulsations.
  • the fuel introduced into the air passage via the injection openings can preferably be injected into the air passage beyond the width of the shear flow. This results in an advantageous broadening of the time delay profile of the introduced via the two outputs in the combustion chamber primary fuel flow.
  • the injection openings are arranged in the downstream end region of the first passage section.
  • injection openings are arranged downstream of a swirl generator arranged in the air passage.
  • the injection openings may have a slot-shaped cross-sectional area, wherein the longitudinal axes of the slots extend at an angle to a main flow direction in the air passage.
  • length to width of the cross-sectional area of the slots may be 3-7, more preferably 4-5.
  • This embodiment of the slots enables advantageous injection of the fuel at reasonable production costs of the fuel nozzle.
  • the injection openings may be arranged in one or more circumferential rows.
  • the invention is also based on the object of specifying a method for operating a gas turbine, with which at least one burner of the gas turbine is operated in at least a first operating state of the gas turbine such that pressure pulsations of the gas turbine are particularly effectively avoided or at least reduced.
  • the object is achieved by a method for operating a gas turbine having at least one burner, wherein the burner has a primary fuel passage with a combustion chamber facing passage exit and a - arranged in particular concentric to the primary fuel passage - air passage with pointing to the combustion zone air passage exit.
  • a mixed or pure compressor air stream is introduced from the air passage and flowing into the combustion zone adjacent to a primary fuel stream flowing out of the primary fuel passgage.
  • the burner is operated in at least the first operating state with a mean air velocity in the air passage and a mean primary fuel velocity in the primary fuel passage such that due to a relative velocity between the two flows in the shear layer, an instability of a substantially first Frequency is excited, wherein the relative velocity is selected such that the first frequency is unsuitable by means of an interaction with the flame to initiate a pressure pulsation in the combustion chamber.
  • a first operating state and a first frequency can be selected such that even when passing through an operating interval comprising the first operating state, the traversing frequencies of instability in the shear flow so far are removed from the excitable eigenmodes of the combustion chamber, that even in the wider operating interval, an interaction with the flame is not given or at least reduced.
  • the shear flow can also be referred to as a shear layer.
  • the excited instabilities in the shear layer are pressure fluctuations, especially vortex streets.
  • the instabilities occurring in a shear flow can be due, for example, to so-called Kelvin-Helmholtz instabilities.
  • Kelvin-Helmholtz instabilities In general, in the case of a given operating state of the burner and thus a given relative velocity in the said shear flow, an instability of substantially one frequency is excited.
  • the first operating state in a load range of the gas turbine may be from 50 to 100%.
  • the method can be applied by suitable choice of the first frequency and the first operating state and with knowledge of the excitable eigenmodes of the combustion chamber on any type of gas turbine with corresponding burners according to claim 17.
  • the burner specified in claim 1 is only one embodiment of a burner, with which the inventive method, in particular when using the burner in a gas turbine of the type SGTx-2000E LC, can be performed.
  • the invention also includes carrying out the method for operating other types of gas turbine, provided that at least one burner of the gas turbine comprises corresponding passages as claimed in claim 17.
  • the gas turbine is operated at least in the first operating state at a relative speed of 50 to 100 m / s, in particular 60 to 80 m / s between the two passages of the burner.
  • the average velocity in the primary fuel passage at least in the first operating state is 120 to 180 m / s, in particular 140 to 160 m / s.
  • a swirl of 1.6 to 2.2, in particular 1.7 to 2.0 is impressed on the primary fuel flow in the primary fuel passage by means of a swirl generator.
  • the spin in the primary fuel passage is defined as the ratio of angular momentum to the product of the nozzle exit radius and the axial momentum of the primary fuel flow flowing in the passage, with angular momentum and axial momentum being considered at the nozzle exit.
  • the claimed interval of the fuel split ensures a broadening of the time delay profile of the primary fuel flow, which has proven to be advantageous or particularly advantageous for the additional reduction of pressure pulsations.
  • the fuel branched off into the air passage can be injected substantially deeper into the air passage than the shear layer is thick. This allows a particularly advantageous broadening of the delay time profile.
  • the flow in the air passage is preferably upstream of the injection openings to a pure compressor air flow without further fuel admixtures.
  • the air passage may comprise no further opening into the air passage fuel nozzles except for the injection openings.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a gas turbine 1 according to the prior art in a schematically simplified representation.
  • the gas turbine 1 has in its interior a rotatably mounted about a rotation axis 2 rotor 3 with a shaft 4, which is also referred to as a turbine runner.
  • a turbine runner which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 6 a compressor 8
  • a combustion system 9 with at least one combustion chamber 10 each comprising a burner assembly with burners 11, a fuel supply system for the burner (not shown) and a housing 12, a turbine 14 and an exhaust housing 15.
  • a gas turbine according to the invention may, for example, comprise an annular combustion chamber or have one or more tube combustion chambers.
  • the plurality of tube combustion chambers may be arranged, for example, annular.
  • the combustion system 9 communicates with an annular hot gas duct, for example.
  • a plurality of successively connected turbine stages form the turbine 14.
  • Each turbine stage is formed of blade rings. Viewed in the flow direction of a working medium follows in the hot runner formed by a number 17 vanes row formed from blades 18 row.
  • the guide vanes 17 are fastened to an inner housing of a stator 19, whereas the moving blades 18 of a row are attached to the rotor 3, for example by means of a turbine disk.
  • Coupled to the rotor 3 is, for example, a generator (not shown).
  • FIG. 2 shows a half of a rotationally symmetrical burner according to an embodiment of the invention in a longitudinal section.
  • the burner 24 is arranged rotationally symmetrically about a central burner axis 26.
  • the burner 24 includes a central secondary fuel supply unit 28, a primary fuel supply unit 30 arranged concentrically around the secondary fuel supply unit 28 and an annular air passage 32 arranged concentrically around the primary fuel supply unit 30 with an air passage exit 36 facing into the combustion zone 34.
  • the primary fuel supply unit 30 includes a primary mixer tube 38 and a downstream fuel nozzle 40.
  • the primary mixer tube 38 and an outer wall 42 of the fuel nozzle 40 are spaced from the secondary fuel supply unit 28 so that an annular primary fuel passage 44 is formed, with the fuel nozzle 40 forming a primary mixer tube 38 pointing fuel nozzle inlet 46 and a fuel nozzle exit 48 facing the combustion zone.
  • the height h of the primary fuel passage 44 is substantially constant downstream of the fuel nozzle inlet 46 and along a first passage portion 44a. Adjoining the first passage portion 44a is a second passage portion 44b extending to the fuel nozzle exit 48.
  • the ratio of the cross-sectional area 50 of the primary fuel passage 44 at the fuel nozzle exit 48 divided by the cross-sectional area 52 at the beginning of the second passage section is 0.7 to 0.9.
  • the ratio of the cross-sectional areas can be 0.8 to 0.9.
  • the drawing is to be understood schematically.
  • the inner side 54 of the outer wall 42 of the fuel nozzle 40, which faces the secondary fuel feed unit 28, along the first passage section 44a has a substantially cylinder jacket-shaped design.
  • the outer wall 42 of the fuel nozzle 40 is tapered along the second passage portion 44b in the flow direction.
  • the ratio of the height h a of the primary fuel passage 44 at the fuel nozzle outlet 48 divided by the radius of the fuel nozzle exit R a is preferably 0.125 to 0.16, in particular 0.149 to 0.151.
  • the ratio of the radius of the fuel nozzle outlet R a to the radius of the air passage exit R L is preferably 0.5 to 0.6, in particular 0.54 to 0.56.
  • a swirl generator having a circumferentially arranged number of swirl vanes is arranged.
  • the swirl vanes in the fuel nozzle are attached to the inside 54 and designated 56.
  • the swirl vanes in the air passage 32 are designated 58.
  • the swirl blades have a blade angle for imparting a twist to the flow past it. Depending on the blade angle, a stronger or less strong twist can be set. It is known to those skilled in the art how to arrange the blades in the passage to create a desired spin in the passage.
  • the swirl vanes 56 preferably have a blade angle which, in at least one first operating state of the burner, causes a swirl of 1.6 to 2.2, in particular 1.7 to 2.0.
  • the swirl in the primary fuel passage is defined as the ratio of angular momentum to the product of the nozzle exit radius and the axial momentum of the primary fuel flow flowing in the passage, with angular momentum and axial momentum being considered at the nozzle exit.
  • the swirl generator could also comprise other means instead of swirl blades, which are suitable for imparting a twist to the flow. Possible alternative embodiments of swirl generators are described, for example, above.
  • the swirl blades 56 arranged in the fuel nozzle have a leading edge 62.
  • the inlet length between the fuel nozzle inlet 46 and the leading edge 62 is denoted by S.
  • the ratio S through the height h of the passage in the region of the swirl generator is preferably 0.95 to 0.5, in particular 0.6 to 0.7.
  • the outer wall 42 of the fuel nozzle includes a number of injection ports 64 fluidly connecting the primary fuel passage 44 to the air passage 32, the sum of the cross-sectional areas 66 of the injection ports 64 and their location in the primary fuel passage 44 being selected such that for at least one first operating condition of the burner, a primary fuel split in the air passage of 10% - 30%, in particular 15% to 20%, can be effected.
  • the injection ports 64 are disposed in the downstream end portion of the first passage portion 44a.
  • the injection openings 64 are also arranged downstream of the swirl generator with swirl vanes 58 arranged in the air passage.
  • injection openings can be designed and arranged such that the branched off fuel is pressed into the air passage beyond the thickness of the shear layer in the at least first operating state, resulting in a particularly advantageous broadening of the delay time profile of the primary fuel flow flowing out of the two outlets.
  • the FIG. 3 shows that of the in FIG. 2 shown burner 24 included fuel nozzle 40 in a perspective view.
  • the fuel nozzle 40 comprises an exchangeable component of the burner 24.
  • the fuel nozzle comprises the outer wall 42, which, starting from the fuel nozzle inlet 46, initially has a substantially cylinder-jacket shape with swirl vanes 56 arranged on the inner side 54.
  • the injection openings 64 run through the wall 42.
  • the cylindrical region of the wall 42 is adjoined by a conically tapering region of the wall 42 extending up to the nozzle outlet 48.
  • the FIG. 4 shows a flowchart of the method according to the invention.
  • a first frequency is determined (step S1) for at least one first operating state of the gas turbine, which is unsuitable for starting a pressure pulsation in the combustion chamber by means of an interaction with the flame.
  • the largest possible operating range around the first operating state covers an instability frequency range which is likewise unsuitable for stimulating an interaction with the flame in the respective operating states.
  • the operating range preferably covers substantially the entire operating range of the gas turbine.
  • step S3 When selecting the first frequency is also taken into account whether (step S3) a burner for providing the necessary for the first operating state flow rates in the air passage and the primary fuel passage at associated relative speed between the two adjacent streams can be produced or selected.
  • the method is then carried out during operation of the gas turbine with the burner by operating (step M1) the burner in the first operating state with the corresponding relative speed and (method step M2) in the shear layer the first frequency of instability in the shear zone which is unsuitable for increasing the pressure pulsations is produced.
  • step M1 the burner in the first operating state with the corresponding relative speed
  • method step M2 in the shear layer the first frequency of instability in the shear zone which is unsuitable for increasing the pressure pulsations is produced.
  • the frequency must only be sufficiently far away from a stimulable eigenmode of the combustion chamber. These distances are known to the person skilled in the art or can be determined in a simple manner.
  • the instability stimulus may be based on the excitation of Kelvin-Helmholtz instability.
  • the burner can preferably be operated in the first operating state with synthesis gas having a relative speed of 50 to 100 m / s, in particular with a relative speed between the two passages of 60 to 80 m / s.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Gas Burners (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit mindestens einem Brenner (24), wobei der Brenner eine Primärbrennstoffpassage (44) mit einem zur Verbrennungszone weisenden Passagenaustritt und eine Luftpassage (32) mit einem zur Verbrennungszone weisenden Luftpassagenaustritt (36) aufweist, wobei in mindestens einem ersten Betriebszustand ein mit Brennstoff vermischter oder reiner Verdichterluftstrom aus der Luftpassage strömend benachbart zu einem aus der Primärbrennstoffpassgage strömenden Primärbrennstoffstrom in die Verbrennungszone eingeleitet wird. Das Verfahren eignet sich zur Reduzierung von Druckpulsationen in der Brennkammer der Gasturbine. Hierzu wird in dem ersten Betriebszustand der Brenner mit einer mittleren Luftgeschwindigkeit in der Luftpassage und einer mittleren Primärbrennstoffgeschwindigkeit in der Primärbrennstoffpassage derart betrieben, dass aufgrund einer Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Strömen in der Scherschicht eine Instabilität einer im Wesentlichen ersten Frequenz angeregt wird, wobei die Relativgeschwindigkeit derart gewählt ist, dass die erste Frequenz ungeeignet ist mittels einer Wechselwirkung mit der Flamme eine Druckpulsation in der Brennkammer anzufachen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, mit welchem Druckpulsationen in der Brennkammer der Gasturbine reduziert werden können.
    Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Brenner, welcher zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignet ist.
  • Bei dem gattungsgemäßen Verfahren wird mindestens ein Brenner der Gasturbine entsprechend betrieben. Ein zur Durchführung des Verfahrens geeigneter Brenner umfasst eine Primärbrennstoffpassage mit einem zur Verbrennungszone weisenden Passagenaustritt und eine zur Primärbrennstoffpassage benachbart angeordnete Luftpassage mit einem zur Verbrennungszone weisenden Luftpassagenaustritt. In mindestens einem ersten Betriebszustand der Gasturbine wird ein mit Brennstoff vermischter oder reiner Verdichterluftstrom aus der Luftpassage strömend benachbart zu einem aus der Primärbrennstoffpassgage strömenden Primärbrennstoffstrom in die Verbrennungszone eingeleitet. Die beiden Passagenaustritte können beispielsweise konzentrisch zueinander angeordnet sein.
  • Ein gattungsgemäßer Brenner ist beispielsweise in der WO 2011 157458 A1 offenbart. Der Offenbarungsgehalt der Patentschrift sei in die vorliegende Patentanmeldung mit aufgenommen.
  • Der in der WO 2011157458 A1 offenbarte Brenner weist eine zentrale Brennerache und eine zentrale Sekundärbrennstoffzuführeinheit auf. Konzentrisch um die Sekundärbrennstoffzuführeinheit ist eine Primärbrennstoffzuführeinheit angeordnet mit einer Primärbrennstoffpassage.
    Um die Primärbrennstoffzuführeinheit herum verläuft konzentrisch eine Ringraumpassage zur Zufuhr von Verdichterluft. Die Luftpassage weist einen in die Verbrennungszone weisenden Luftpassagenaustritt auf.
  • Die Primärbrennstoffzuführeinheit des Brenners des Standes der Technik ist zur Beaufschlagung mit Synthesegas ausgebildet. Bevorzugt gilt dies auch für den Brenner der vorliegenden Erfindung. Aufgrund des geringeren Heizwertes des Synthesegases sind derartige Passagen für besonders hohe Volumenströme ausgelegt. Die Primärbrennstoffzuführeinheit umfasst eine Primärmischröhre und eine sich stromab anschließende Brennstoffdüse. Zur Ausbildung der Brennstoffpassage ist die Primärmischröhre und die äußere Wand der Brennstoffdüse von der Sekundärbrennstoffzuführeinheit beabstandet angeordnet. Die Passage ist somit ringraumförmig. Die Brennstoffdüse umfasst einen zur Primärmischröhre weisenden Brennstoffdüseneintritt und einen in die Verbrennungszone weisenden Brennstoffdüsenaustritt. Stromab des Brennstoffdüseneingangs und entlang eines ersten Passagenabschnitts ist die Höhe der Primärbrennstoffpassage im Wesentlichen konstant. An diesen ersten Passagenabschnitt grenzt ein sich bis zum Brennstoffdüsenaustritt erstreckender zweiter Passagenabschnitt an. Die Primärmischröhre und die Brennstoffdüse könnten auch einstückig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Brennstoffdüse aber als ein austauschbares Bauteil in dem Brenner angeordnet.
  • Der in der WO 2011157458 A1 offenbarte Brenner weist zur Reduzierung von Druckpulsationen Drallschaufeln in der Primärbrennstoffpassage mit einer für diesen Zweck speziell ausgestalteten Einlauflänge zum Brennstoffdüseneintritt auf.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Brenner anzugeben, der im Betrieb der Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist und derart betreibbar ist, dass mindestens in einem ersten Betriebszustand der Gasturbine Druckpulsationen der Gasturbine besonders effektiv vermieden oder zumindest reduziert sind.
  • Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine anzugeben, mit welchem ein gattungsgemäßer Brenner in mindestens einem ersten Betriebszustand der Gasturbine derart betrieben wird, dass Druckpulsationen der Gasturbine besonders effektiv vermieden oder zumindest reduziert werden.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Brenner der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Verhältnis der Querschnittsfläche der Primärbrennstoffpassage am Brennstoffdüsenaustritt geteilt durch die Querschnittsfläche zu Beginn des zweiten Passagenabschnitts 0.7 bis 0.9 beträgt.
  • Anders als bei dem Brenner im Stand der Technik (bei welchem zur Erreichung einer höheren akustischen Stabilität in der Verbrennungszone auf den Drallerzeuger abgestellt wird), wird bei der vorliegenden Erfindung zur Reduzierung der Druckpulsationen vorrangig auf das Einstellen einer günstigen Relativgeschwindigkeit zwischen den Strömen der Luftpassage und der Primärbrennstoffpassage nach Austritt aus dem Brennerausgang abgestellt.
  • Der erfindungsgemäße Brenner ermöglicht es aufgrund der geringen Querschnittsverringerung im Bereich der Brennstoffdüse den Brenner bei gleichem Lastbereich und gleichem Versorgungsdruck auf wesentlich geringerem Geschwindigkeitsniveau in der Primärbrennstoffpassage, die bevorzugt als Synthesegaspassage ausgebildet ist, zu betreiben als bei dem genannten Brenner des Standes der Technik.
    Dadurch verschieben sich im gesamten Lastbereich bzw. Betriebsbereichs des Brenners die in der Scherströmung zwischen den beiden Fluidströmen (also dem aus der Luftpassage austretendem Fluidstrom und dem aus der Primärbrennstoffpassage austretendem Fluidstrom) angeregten Frequenzen der in der Scherströmung auftretenden Instabilitäten zu kleineren Werten. Bei diesen Instabilitäten handelt es sich um Druckschwankungen, insbesondere um auftretende Wirbelstraßen. Die in einer Scherströmung auftretenden Instabilitäten können beispielsweise auf sogenannte Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten zurückzuführen sein. Im Allgemeinen wird bei einem vorgegebenen Betriebszustand des Brenners und damit einer vorgegebenen Relativgeschwindigkeit in der besagten Scherströmung eine Instabilität im Wesentlichen einer Frequenz angeregt. Die Relativgeschwindigkeiten und proportional hierzu die angeregten Frequenzen liegen bei dem beanspruchten Intervall um mindestens einen Faktor 1.5 bis 2 unter den Frequenzen des Brenners des Standes der Technik. Damit eignet sich der erfindungsgemäße Brenner zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens, beispielsweise Brenner einer Gasturbine der Leistungsklasse des Gasturbinentyps SGTx-2000E LC(Produktbezeichnung der Anmelderin).
  • Das angegebene Intervall ermöglicht es insbesondere, relevante Bereiche an Brennstoffsplit, Geschwindigkeit und Drallzahl zu erzielen.
  • Vorzugsweise kann sich die Querschnittsfläche der Primärbrennstoffpassage entlang des zweiten Passagenabschnitts im Wesentlichen stetig/kontinuierlich verringern.
  • Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass das Verhältnis der Querschnittsflächen 0.8 bis 0.9 beträgt.
  • Dies ermöglicht in mindestens einem Betriebsbereich des Brenners besonders vorteilhafte Relativgeschwindigkeiten zwischen den beiden Passagen, vorzugsweise bei einem Einsatz des Brenners in einer Gasturbine des Typs SGTx-2000E LC.
  • Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die zur Sekundärbrennstoffzuführungseinheit weisende Innenseite der äußeren Wand der Brennstoffdüse entlang des ersten Passagenabschnitts im Wesentlichen zylindermantelförmig ausgebildet ist.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die äußere Wand der Brennstoffdüse entlang des zweiten Passagenabschnitts in Strömungsrichtung konisch zulaufend ausgebildet ist.
  • Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis der Höhe der Primärbrennstoffpassage am Brennstoffdüsenaustritt geteilt durch den Radius des Brennstoffdüsenausgangs 0.125 bis 0.16, insbesondere 0.149 bis 0.151 beträgt.
  • Dies ermöglicht in mindestens einem Betriebsbereich besonders vorteilhafte Relativgeschwindigkeiten.
  • Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass der Radius des Brennstoffdüsenaustritts geteilt durch den Radius des Luftpassagenaustritts 0.5 bis 0.6, insbesondere 0.54 bis 0.56, beträgt.
  • Dies ermöglicht in mindestens einem Betriebsbereich besonders vorteilhafte Relativgeschwindigkeiten.
  • Zur weiteren Reduzierung von Druckpulsationen kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in der Brennstoffdüse stromauf des zweiten Passagenabschnitts ein Drallerzeuger angeordnet sein. Zur Erzeugung eines Dralls in der Primärbrennstoffpassage kann der Drallerzeuger beispielsweise eine Anzahl von umlaufend in der Brennstoffdüse angeordneten Drallschaufeln umfassen . Die Erfindung ist allerdings nicht auf diesen Typ Drallerzeuger beschränkt. Der Drallerzeuger kann beispielsweise auch aus mit Fluid beaufschlagbaren, umlaufend an der äußeren Wand der Brennstoffdüse angeordneten Luftdüsen bestehen, die zur Beaufschlagung der Passagenströmung mit einem Drall beispielsweise Luft mit einer in Umfangsrichtung der Primärbrennstoffpassage gerichteten Komponente eindüsen. Bei dem Drallerzeuger könnte es sich beispielsweise auch um eine quer zur Passage angeordnete Scheibe handeln, die von einer Vielzahl durch die Scheibe verlaufenden Bohrungen durchsetzt ist. Die Bohrungen sind dabei entsprechend des gewünschten Dralls angestellt. Im Rahmen dieser Erfindung sei der Drall in der Primärbrennstoffpassage definiert als das Verhältnis von Drehimpuls zu dem Produkt aus dem Düsenaustrittsradius und dem Axialimpuls der in der Passage strömenden Primärbrennstoffströmung, wobei Drehimpuls und Axialimpuls am Düsenaustritt betrachtet werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Drallerzeuger derart gewählt sein, dass in mindestens einem ersten Betriebszustand des Brenners, ein Drall von 1.6 bis 2.2, insbesondere von 1.7 bis 2.0, in der Primärbrennstoffpassage bewirkbar ist.
  • Das beanspruchte Intervall hat sich insbesondere bei dem erfindungsgemäß niedrigeren Geschwindigkeitsniveau in der Primärbrennstoffpassage als stabilisierend für die Verbrennung erwiesen. Sofern ein Drallerzeuger mit Drallschaufeln ausgebildet ist, sind die Drallschaufeln derart ausgebildet und mit einem Schaufelwinkel angeordnet, dass der beanspruchte Bereich des Dralls bewirkbar ist.
  • Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass der Drallerzeuger eine umlaufend in der Brennstoffdüse angeordnete Anzahl von Drallschaufeln umfasst, die jeweils eine Anströmkante aufweisen, wobei die Einlauflänge zwischen dem Brennstoffdüseneintritt und der Anströmkante geteilt durch die Höhe im Bereich des Drallerzeugers der Primärbrennstoffpassage 0.95 bis 0.5, insbesondere 0.6 bis 0.7, beträgt.
  • Das beanspruchte Intervall hat sich insbesondere bei dem erfindungsgemäß niedrigeren Geschwindigkeitsniveau in der Primärbrennstoffpassage als stabilisierend für die Verbrennung erwiesen.
  • Zur weiteren Stabilisierung der Verbrennung kann eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vorsehen, dass die äußere Wand der Brennstoffdüse eine Anzahl von Eindüsöffnungen umfasst, welche die Primärbrennstoffpassage fluidisch mit der Luftpassage verbinden, wobei die Summe der Querschnittsflächen der Eindüsöffnungen und deren Anordnung in der Primärbrennstoffpassage derart gewählt sind, dass für mindestens einen ersten Betriebszustand des Brenners ein Primärbrennstoffsplit in die Luftpassage von 10% - 30 %, insbesondere 15% bis 20%, bewirkbar ist.
  • Das beanspruchte Intervall des Brennstoffsplits gewährleistet beim Betrieb des Brenners eine Verbreiterung des Zeitverzugsprofils des Primärbrennstoffstromes, welche sich als vorteilhaft bzw. als besonders vorteilhaft zur zusätzlichen Reduzierung von Druckpulsationen erwiesen hat. Hierbei kann bevorzugt der über die Eindüsöffnungen in die Luftpassage eingebrachte Brennstoff über die Breite der Scherströmung hinaus in die Luftpassage eingedüst werden. Dies ergibt eine vorteilhafte Verbreiterung des Zeitverzugsprofils des über die beiden Ausgänge in die Brennkammer eingeleiteten Primärbrennstoffstromes.
  • Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Eindüsöffnungen im stromab gelegenen Endbereich des ersten Passagenabschnitts angeordnet sind.
  • Es kann auch als vorteilhaft betrachtet werden, dass die Eindüsöffnungen stromab eines in der Luftpassage angeordneten Drallerzeugers angeordnet sind.
  • Für eine besonders vorteilhafte Eindüsung können die Eindüsöffnungen eine schlitzförmige Querschnittsfläche aufweisen, wobei die Längsachsen der Schlitze angewinkelt zu einer Hauptströmungsrichtung in der Luftpassage verlaufen.
  • Dies ermöglicht eine vorteilhafte Eindüstiefe des abgezweigten Brennstoffs in die Luftpassage. Insbesondere können Länge zu Breite der Querschnittsfläche der Schlitze 3-7, besonders bevorzugt 4-5 betragen.
  • Diese Ausgestaltung der Schlitze ermöglicht eine vorteilhafte Eindüsung des Brennstoffs bei vertretbaren Herstellungskosten der Brennstoffdüse.
  • Die Eindüsöffnungen können in einer oder mehreren umlaufenden Reihen angeordnet sein.
  • Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, wenn der Brennstoffdüseneingang aufgeweitet ist.
  • Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine anzugeben, mit welchem mindestens ein Brenner der Gasturbine in mindestens einem ersten Betriebszustand der Gasturbine derart betrieben wird, dass Druckpulsationen der Gasturbine besonders effektiv vermieden oder zumindest reduziert werden.
  • Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst zum Betrieb einer Gasturbine mit mindestens einem Brenner, wobei der Brenner eine Primärbrennstoffpassage mit einem zur Verbrennungszone weisenden Passagenaustritt und eine - insbesondere konzentrisch zur Primärbrennstoffpassage angeordnete - Luftpassage mit einem zur Verbrennungszone weisenden Luftpassagenaustritt aufweist.
  • Bei dem Verfahren wird in mindestens einem ersten Betriebszustand ein mit Brennstoff vermischter oder reiner Verdichterluftstrom aus der Luftpassage strömend und benachbart zu einem aus der Primärbrennstoffpassgage strömenden Primärbrennstoffstrom in die Verbrennungszone eingeleitet.
  • Zur Vermeidung bzw. Reduzierung von Druckpulsationen wird erfindungsgemäß der Brenner in mindestens dem ersten Betriebszustand mit einer mittleren Luftgeschwindigkeit in der Luftpassage und einer mittleren Primärbrennstoffgeschwindigkeit in der Primärbrennstoffpassage derart betrieben, dass aufgrund einer Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Strömen in der Scherschicht eine Instabilität einer im Wesentlichen ersten Frequenz angeregt wird, wobei die Relativgeschwindigkeit derart gewählt ist, dass die erste Frequenz ungeeignet ist mittels einer Wechselwirkung mit der Flamme eine Druckpulsation in der Brennkammer anzufachen.
  • Insbesondere kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Kenntnis des zu betreibenden Gasturbinentyps und der anregbaren Eigenmoden der Brennkammer der Gasturbine ein erster Betriebszustand und eine erste Frequenz derart gewählt werden, dass auch beim Durchfahren eines den ersten Betriebszustand umfassenden Betriebsintervalls die durchfahrenden Frequenzen der Instabilität in der Scherströmung soweit von den anregbaren Eigenmoden der Brennkammer entfernt sind, dass auch in dem breiteren Betriebsintervall eine Wechselwirkung mit der Flamme nicht gegeben oder zumindest reduziert ist. Im Rahmen dieser Erfindung kann die Scherströmung auch mit Scherschicht bezeichnet werden. Bei den angeregten Instabilitäten in der Scherschicht handelt es sich um Druckschwankungen, insbesondere um auftretende Wirbelstraßen. Die in einer Scherströmung auftretenden Instabilitäten können beispielsweise auf sogenannte Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten zurückzuführen sein. Im Allgemeinen wird bei einem vorgegebenen Betriebszustand des Brenners und damit einer vorgegebenen Relativgeschwindigkeit in der besagten Scherströmung eine Instabilität im Wesentlichen einer Frequenz angeregt. Bevorzugt kann der erste Betriebszustand in einem Lastbereich der Gasturbine von 50 - 100% liegen.
  • Das Verfahren lässt sich durch geeignete Wahl der ersten Frequenz und des ersten Betriebszustandes und bei Kenntnis der anregbaren Eigenmoden der Brennkammer auf beliebige Gasturbinentypen mit entsprechenden Brennern gemäß Anspruch 17 anwenden.
  • Der in Anspruch 1 angegebene Brenner ist lediglich ein Ausführungsbeispiel eines Brenners, mit welchem das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere bei einem Einsatz des Brenners in einer Gasturbine des Typs SGTx-2000E LC, durchgeführt werden kann. Von der Erfindung umfasst ist auch die Durchführung des Verfahrens zum Betrieb von anderen Gasturbinentypen, sofern mindestens ein Brenner der Gasturbine entsprechende Passagen wie in Anspruch 17 beansprucht umfasst.
  • Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Gasturbine mindestens in dem ersten Betriebszustand mit einer Relativgeschwindigkeit von 50 bis 100 m/s, insbesondere von 60 bis 80 m/s zwischen den beiden Passagen des Brenners betrieben wird.
  • Diese Relativgeschwindigkeiten haben sich insbesondere zur Vermeidung von Druckpulsationen bei Gasturbinen der Leistungsklasse des Typs SGTx-2000E LC für den Betrieb mit Synthesegas für mindestens einen Betriebszustand als vorteilhaft erwiesen.
  • Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die mittlere Geschwindigkeit in der Primärbrennstoffpassage zumindest in dem ersten Betriebszustand 120 bis 180 m/s, insbesondere 140 bis 160 m/s beträgt.
  • Diese Geschwindigkeiten haben sich insbesondere zur Vermeidung von Druckpulsationen bei Gasturbinen der Leistungsklasse des Typs SGTx-2000E im Betrieb mit Synthesegas für mindestens einen Betriebszustand als vorteilhaft erwiesen. Die Geschwindigkeit der Verdichterluft in der Luftpassage ist in weiten Bereichen im Wesentlichen unabhängig vom Lastbereich der Gasturbine.
  • Zur Reduzierung von Druckpulsationen, insbesondere im ersten Betriebszustand, kann es auch als vorteilhaft angesehen werden, dass dem Primärbrennstoffstrom in der Primärbrennstoffpassage mittels eines Drallerzeugers ein Drall von 1.6 bis 2.2, insbesondere von 1.7 bis 2.0 aufgeprägt wird.
  • Im Rahmen dieser Erfindung sei der Drall in der Primärbrennstoffpassage definiert als das Verhältnis von Drehimpuls zu dem Produkt aus dem Düsenaustrittsradius und dem Axialimpuls der in der Passage strömenden Primärbrennstoffströmung, wobei Drehimpuls und Axialimpuls am Düsenaustritt betrachtet werden.
  • Zur Reduzierung von Druckpulsationen, insbesondere im ersten Betriebszustand, kann es auch als vorteilhaft angesehen werden, dass ein Anteil von 10 bis 30 %, insbesondere von 15 bis 25 %, des Primärbrennstoffstroms aus der Primärbrennstoffpassage über Eindüsöffnungen in die Luftpassage abgezweigt und über den Luftpassagenaustritt in die Verbrennungszone eingeleitet wird.
  • Das beanspruchte Intervall des Brennstoffsplits gewährleistet beim Betrieb des Brenners eine Verbreiterung des Zeitverzugsprofils des Primärbrennstoffstromes, welche sich als vorteilhaft bzw. als besonders vorteilhaft zur zusätzlichen Reduzierung von Druckpulsationen erwiesen hat. Insbesondere kann der in die Luftpassage abgezweigte Brennstoff im Wesentlichen tiefer in die Luftpassage eingedüst werden, als die Scherschicht dick ist. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Verbreiterung des Verzugszeitenprofils. Bei der Strömung in der Luftpassage handelt es sich bevorzugt stromauf der Eindüsöffnungen um einen reinen Verdichterluftstrom ohne weitere Brennstoffbeimengungen. Mit anderen Worten kann die Luftpassage bis auf die Eindüsöffnungen keine weiteren in die Luftpassage mündenden Brennstoffdüsen umfassen.
    Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielsen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen.
  • Dabei zeigt die
    • Fig. 1
    schematisch eine Gasturbine des Standes der Technik,
    Fig. 2
    schematisch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Brenners gemäß einem Ausführungsbeispiel im Längsschnitt, und
    Fig.3
    schematisch die von dem in Figur 2 dargestellten Brenner umfasste Brennstoffdüse in einer perspektivischen Ansicht, und
    Fig.4
    ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die Figur 1 zeigt eine Schnittansicht einer Gasturbine 1 nach dem Stand der Technik in schematisch vereinfachter Darstellung. Die Gasturbine 1 weist in ihrem Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 mit einer Welle 4 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 6, ein Verdichter 8, ein Verbrennungssystem 9 mit mindestens einer Brennkammer 10, die jeweils eine Brenneranordnung mit Brennern 11, ein Brennstoffversorgungssystem für die Brenner (nicht dargestellt) und ein Gehäuse 12 umfasst, eine Turbine 14 und ein Abgasgehäuse 15.
  • Eine erfindungsgemäße Gasturbine kann beispielsweise eine Ringbrennkammern umfassen oder eine oder mehrere Rohrbrennkammern aufweisen. Die mehreren Rohrbrennkammern können beispielsweise ringförmig angeordnet sein.
  • Das Verbrennungssystem 9 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 14. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißkanal einer aus Leitschaufeln 17 gebildeten Reihe eine aus Laufschaufeln 18 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 17 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators 19 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 18 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 angekoppelt ist beispielsweise ein Generator (nicht dargestellt).
  • Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 8 durch das Ansauggehäuse 6 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 8 bereitgestellte Verdichterluft L" wird entlang eines Brennerplenums 7 zu dem Verbrennungssystem 9 geführt und dort im Bereich der Brenneranordnung in die Brenner 11 geleitet und in diesen mit Brennstoff vermischt und/oder im Austrittsbereich des Brenners 11 mit Brennstoff angereichert. Brennstoffzuführsysteme versorgen die Brenner hierbei mit Brennstoff. Das Gemisch bzw. die Verdichterluft und der Brennstoff werden von den Brennern in die Brennkammer eingeleitet und verbrennen unter Bildung eines heißen Arbeitsgasstromes in einer Verbrennungszone der Brennkammer. Von dort strömt der Arbeitsgasstrom entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 17 und den Laufschaufeln 18 vorbei. An den Laufschaufeln 18 entspannt sich der Arbeitsgasstrom impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 18 den Rotor 3 antreiben und dieser den an ihn angekoppelten Generator (nicht dargestellt).
  • Die Figur 2 zeigt eine Hälfte eines rotationssymmetrischen Brenners gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Längsschnitt.
  • Der Brenner 24 ist rotationssymmetrisch um eine zentrale Brennerachse 26 angeordnet. Der Brenner 24 umfasst eine zentrale Sekundärbrennstoffzuführeinheit 28,
    eine konzentrisch um die Sekundärbrennstoffzuführeinheit 28 angeordneten Primärbrennstoffzuführeinheit 30 und eine konzentrisch um die Primärbrennstoffzuführeinheit 30 angeordnete ringraumförmige Luftpassage 32 mit einem in die Verbrennungszone 34 weisenden Luftpassagenaustritt 36.
  • Die Primärbrennstoffzuführeinheit 30 umfasst eine Primärmischröhre 38 und eine sich stromab anschließende Brennstoffdüse 40. Die Primärmischröhre 38 und eine äußere Wand 42 der Brennstoffdüse 40 sind von der Sekundärbrennstoffzuführeinheit 28 beabstandet angeordnet, so dass eine ringraumförmige Primärbrennstoffpassage 44 ausgebildet ist, wobei die Brennstoffdüse 40 einen zur Primärmischröhre 38 weisenden Brennstoffdüseneintritt 46 und einen in die Verbrennungszone weisenden Brennstoffdüsenaustritt 48 umfasst.
  • Die Höhe h der Primärbrennstoffpassage 44 ist stromab des Brennstoffdüseneingangs 46 und entlang eines ersten Passagenabschnitts 44a im Wesentlichen konstant. An den ersten Passagenabschnitt 44a grenzt ein sich bis zum Brennstoffdüsenaustritt 48 erstreckender zweiter Passagenabschnitt 44b an.
  • Das Verhältnis der Querschnittsfläche 50 der Primärbrennstoffpassage 44 am Brennstoffdüsenaustritt 48 geteilt durch die Querschnittsfläche 52 zu Beginn des zweiten Passagenabschnitts beträgt 0.7 bis 0.9. Besonders bevorzugt kann das Verhältnis der Querschnittsflächen 0.8 bis 0.9 betragen.
    Die Zeichnung ist allerdings schematisch zu verstehen.
  • Die zur Sekundärbrennstoffzuführungseinheit 28 weisende Innenseite 54 der äußeren Wand 42 der Brennstoffdüse 40 entlang des ersten Passagenabschnitts 44a ist im Wesentlichen zylindermantelförmig ausgebildet. Die äußere Wand 42 der Brennstoffdüse 40 ist entlang des zweiten Passagenabschnitts 44b in Strömungsrichtung konisch zulaufend ausgebildet.
  • Das Verhältnis der Höhe ha der Primärbrennstoffpassage 44 am Brennstoffdüsenaustritt 48 geteilt durch den Radius des Brennstoffdüsenausgangs Ra beträgt bevorzugt 0.125 bis 0.16, insbesondere 0.149 bis 0.151.
  • Das Verhältnis des Radius des Brennstoffdüsenaustritts Ra zum Radius des Luftpassagenaustritts RL beträgt bevorzugt 0.5 bis 0.6, insbesondere 0.54 bis 0.56.
  • In der Brennstoffdüse 40 ist stromauf des zweiten Passagenabschnitts 44b und in der Luftpassage 32 ein Drallerzeuger mit einer umlaufend angeordneten Anzahl von Drallschaufeln angeordnet. Die Drallschaufeln in der Brennstoffdüse sind an der Innenseite 54 befestigt und mit 56 bezeichnet. Die Drallschaufeln in der Lufpassage 32 sind mit 58 bezeichnet. Die Drallschaufeln weisen zum Aufprägen eines Dralls auf die vorbeiströmende Strömung einen Schaufelwinkel auf. Je nach Schaufelwinkel lässt sich ein stärkerer oder weniger starker Drall einstellen. Dem Fachmann ist es bekannt, wie er die Schaufeln in der Passage anordnen muss, um in der Passage einen gewünschten Drall zu erzeugen. Bevorzugt weisen die Drallschaufeln 56 einen Schaufelwinkel auf, der in mindestens einem ersten Betriebszustand des Brenners einen Drall von 1.6 bis 2.2, insbesondere von 1.7 bis 2.0 bewirkt. Der Drall in der Primärbrennstoffpassage ist dabei definiert als das Verhältnis von Drehimpuls zu dem Produkt aus dem Düsenaustrittsradius und dem Axialimpuls der in der Passage strömenden Primärbrennstoffströmung, wobei Drehimpuls und Axialimpuls am Düsenaustritt betrachtet werden.
    Der Drallerzeuger könnte erfindungsgemäß auch anstelle von Drallschaufeln andere Mittel umfassen, die sich für ein Aufprägen eines Dralls auf die Strömung eignen. Mögliche alternative Ausbildungen von Drallerzeugern sind beispielsweise weiter oben beschrieben.
    Die in der Brennstoffdüse angeordneten Drallschaufeln 56 weisen eine Anströmkante 62 auf. Die Einlauflänge zwischen dem Brennstoffdüseneintritt 46 und der Anströmkante 62 ist mit S bezeichnet. Das Verhältnis S durch die Höhe h der Passage im Bereich des Drallerzeugers beträgt vorzugsweise 0.95 bis 0.5, insbesondere 0.6 bis 0.7.
  • Die äußere Wand 42 der Brennstoffdüse umfasst eine Anzahl von Eindüsöffnungen 64, welche die Primärbrennstoffpassage 44 fluidisch mit der Luftpassage 32 verbinden, wobei die Summe der Querschnittsflächen 66 der Eindüsöffnungen 64 und deren Anordnung in der Primärbrennstoffpassage 44 derart gewählt sind, dass für mindestens einen ersten Betriebszustand des Brenners ein Primärbrennstoffsplit in die Luftpassage von 10% - 30 %, insbesondere 15% bis 20%, bewirkbar ist. Die Eindüsöffnungen 64 sind im stromab gelegenen Endbereich des ersten Passagenabschnitts 44a angeordnet. Die Eindüsöffnungen 64 sind auch stromab des in der Luftpassage angeordneten Drallerzeugers mit Drallschaufeln 58 angeordnet. Die Eindüsöffnungen können insbesondere derart ausgebildet und angeordnet sein, dass der abgezweigte Brennstoff in dem mindestens ersten Betriebszustand über die Dicke der Scherschicht hinaus in die Luftpassage gedrückt wird, so dass sich eine besonders vorteilhafte Verbreiterung des Verzugszeitenprofils des aus den beiden Ausgängen strömenden Primärbrennstoffstromes ergibt.
  • Die Figur 3 zeigt die von dem in Figur 2 dargestellten Brenner 24 umfasste Brennstoffdüse 40 in einer perspektivischen Ansicht. Die Brennstoffdüse 40 ist ein austauschbares Bauteil des Brenners 24. Die Brennstoffdüse umfasst die äußere Wand 42, welche vom Brennstoffdüseneingang 46 ausgehend einen zunächst im Wesentlichen zylindermantelförmigen Verlauf aufweist mit an der Innenseite 54 angeordneten Drallschaufeln 56. Die Eindüsöffnungen 64 verlaufen durch die Wand 42 hindurch. An den zylindrisch ausgebildeten Bereich der Wand 42 schließt sich ein bis zu dem Düsenaustritt 48 sich erstreckender, konisch zulaufender Bereich der Wand 42 an.
  • Die Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Für den zu betreibenden Gasturbinentyp wird vor Durchführung des Verfahrens zunächst (Schritt S1) für mindestens einen ersten Betriebszustand der Gasturbine eine erste Frequenz bestimmt, welche ungeeignet ist mittels einer Wechselwirkung mit der Flamme eine Druckpulsation in der Brennkammer anzufachen. Bei der Auswahl der ersten Frequenz kann berücksichtigt werden, dass (Schritt S2 optional) zusätzlich ein möglichst großer Betriebsbereich um den ersten Betriebszustand herum einen Instabilitätsfrequenzbereich abdeckt, der ebenfalls ungeeignet ist eine Wechselwirkung mit der Flamme in den jeweiligen Betriebszuständen anzuregen. Bevorzugt überdeckt der Betriebsbereich im Wesentlichen den gesamten Betriebsbereich der Gasturbine. Bei der Wahl der ersten Frequenz wird auch berücksichtigt, ob (Schritt S3) ein Brenner zur Bereitstellung der für den ersten Betriebszustand notwendigen Durchflussmengen in der Luftpassage bzw. der Primärbrennstoffpassage bei zugehöriger Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden benachbarten Strömen herstellbar bzw. auswählbar ist. Anschließend wird das Verfahren beim Betrieb der Gasturbine mit dem Brenner durchgeführt, indem (Verfahrensschritt M1) der Brenner im ersten Betriebszustand mit der entsprechenden Relativgeschwindigkeit betrieben wird und (Verfahrensschritt M2) in der Scherschicht die zur Anfachung der Druckpulsationen ungeeignete erste Frequenz der Instabilität in der Scherzone erzeugt wird. Diese Instabilitäten entstehen bei entsprechendem Geschwindigkeitsniveau zwangsläufig, so dass das Verfahren darin besteht, für mindestens einen ersten Betriebszustand den Brenner mit einer derartigen Relativgeschwindigkeit zu betreiben, dass die Frequenz der angeregten Instabilität in der Scherzone ungeeignet ist mit der Flamme zu wechselwirken. Hierzu muss die Frequenz nur ausreichend weit weg von einer anregbaren Eigenmode der Brennkammer liegen. Diese Abstände sind dem Fachmann bekannt bzw. können in einfacher Art und Weise bestimmt werden. Die Anregung der Instabilität kann beispielsweise auf der Anregung einer Kelvin-Helmholtz-Instabilität beruhen. Der Brenner kann bevorzugt in dem ersten Betriebszustand mit Synthesegas betrieben werden mit einer Relativgeschwindigkeit von 50 bis 100 m/s, insbesondere mit einer Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Passagen von 60 bis 80 m/s.

Claims (23)

  1. Brenner (24) für eine Gasturbine (1), mit
    - einer zentralen Brennerachse (26),
    - einer zentralen Sekundärbrennstoffzuführeinheit (28),
    - einer konzentrisch um die Sekundärbrennstoffzuführeinheit angeordneten Primärbrennstoffzuführeinheit (30), und
    - einer konzentrisch um die Primärbrennstoffzuführeinheit angeordneten ringraumförmigen Luftpassage (32)mit einem in die Verbrennungszone weisenden Luftpassagenaustritt (36),
    - wobei die Primärbrennstoffzuführeinheit eine Primärmischröhre (38)und eine sich stromab anschließende Brennstoffdüse (40) umfasst, wobei die Primärmischröhre und eine äußere Wand (42) der Brennstoffdüse (40) von der Sekundärbrennstoffzuführeinheit (28) beabstandet angeordnet sind, so dass eine ringraumförmige Primärbrennstoffpassage (44) ausgebildet ist, wobei die Brennstoffdüse einen zur Primärmischröhre weisenden Brennstoffdüseneintritt und einen in die Verbrennungszone weisenden Brennstoffdüsenaustritt (48) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein sich vom Brennstoffdüsenaustritt stromauf erstreckender zweiter Passagenabschnitt (44a) eine sich in Strömungsrichtung verringernde Querschnittsfläche aufweist, wobei die Querschnittsfläche der Primärbrennstoffpassage am Brennstoffdüsenaustritt geteilt durch die Querschnittsfläche zu Beginn des zweiten Passagenabschnitts 0.7 bis 0.9 beträgt.
  2. Brenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Querschnittsflächen 0.8 bis 0.9 beträgt.
  3. Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2
    dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Brennstoffdüseneingangs entlang eines sich bis zum zweiten Passagenabschnitt erstreckenden ersten Passagenabschnitts (44b) die Höhe (h) der Primärbrennstoffpassage im Wesentlichen konstant ist.
  4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3
    dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wand (42) der Brennstoffdüse entlang des zweiten Passagenabschnitts (44a) in Strömungsrichtung konisch zulaufend ausgebildet ist.
  5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4
    dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (ha) der Primärbrennstoffpassage am Brennstoffdüsenaustritt geteilt durch den Radius des Brennstoffdüsenaustritts (Ra) 0.125 bis 0.16, insbesondere 0.149 bis 0.151 beträgt.
  6. Brenner (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 5
    dadurch gekennzeichnet, dass das der Radius des Brennstoffdüsenaustritts (Ra) geteilt durch den Radius des Luftpassagenaustritts (RL) 0.5 bis 0.6, insbesondere 0.54 bis 0.56, beträgt.
  7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6
    dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffdüse (40) stromauf des zweiten Passagenabschnitts ein Drallerzeuger angeordnet ist.
  8. Brenner nach dem vorherigen Anspruch 7
    dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger derart ausgebildet ist, dass in mindestens einem ersten Betriebszustand des Brenners ein Drall von 1.6 bis 2.2, insbesondere von 1.7 bis 2.0, in der Primärbrennstoffpassage bewirkbar ist.
  9. Brenner nach einem der Ansprüche 7 oder 8
    dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger eine Anzahl umlaufend an der Brennstoffdüse angeordnete Drallschaufeln umfasst, welche jeweils eine Anströmkante (62) aufweisen, und die Einlauflänge (S) zwischen dem Brennstoffdüseneintritt und der Anströmkante geteilt durch die Höhe (h) im Bereich des Drallerzeugers der Primärbrennstoffpassage 0.95 bis 0.5, insbesondere 0.6 bis 0.7, beträgt.
  10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9
    dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wand der Brennstoffdüse eine Anzahl von Eindüsöffnungen (64) umfasst, welche die Primärbrennstoffpassage fluidisch mit der Luftpassage (32) verbinden, wobei die Summe der Querschnittsflächen der Eindüsöffnungen und deren Anordnung in der Primärbrennstoffpassage derart gewählt sind, dass für mindestens einen ersten Betriebszustand des Brenners ein Primärbrennstoffsplit in die Luftpassage von 10% - 30 %, insbesondere 15% bis 20%, bewirkbar ist.
  11. Brenner nach dem vorhergehenden Anspruch 10
    dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsöffnungen (64) im stromab gelegenen Endbereich des ersten Passagenabschnitts angeordnet sind.
  12. Brenner nach einem der Ansprüche 10 oder 11
    dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsöffnungen (64) stromab eines in der Luftpassage angeordneten Drallerzeugers angeordnet sind.
  13. Brenner nach einem der Ansprüche 10 bis 12
    dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsöffnungen (64) eine schlitzförmige Querschnittsfläche aufweisen, wobei die Längsachsen der Schlitze angewinkelt zu einer Hauptströmungsrichtung in der Luftpassage verlaufen.
  14. Brenner nach einem der Ansprüche 10 bis 13
    dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsöffnungen in einer oder mehreren umlaufenden Reihen angeordnet sind.
  15. Brennkammer für eine Gasturbine mit mindestens einem Brenner,
    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Brenner gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildet ist.
  16. Gasturbine mit mindestens einer Brennkammer,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer gemäß Anspruch 15 ausgebildet ist.
  17. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit mindestens einem Brenner (24), wobei der Brenner eine Primärbrennstoffpassage (44) mit einem zur Verbrennungszone weisenden Passagenaustritt und eine Luftpassage (32) mit einem zur Verbrennungszone weisenden Luftpassagenaustritt (36) aufweist, wobei in mindestens einem ersten Betriebszustand ein mit Brennstoff vermischter oder reiner Verdichterluftstrom aus der Luftpassage strömend benachbart zu einem aus der Primärbrennstoffpassgage strömenden Primärbrennstoffstrom in die Verbrennungszone (34) eingeleitet wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens dem ersten Betriebszustand der Brenner mit einer mittleren Luftgeschwindigkeit in der Luftpassage (32) und einer mittleren Primärbrennstoffgeschwindigkeit in der Primärbrennstoffpassage (44) derart betrieben wird, dass aufgrund einer Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Strömen in der Scherströmung eine Instabilität einer im Wesentlichen ersten Frequenz angeregt wird, wobei die Relativgeschwindigkeit derart gewählt ist, dass die erste Frequenz ungeeignet ist mittels einer Wechselwirkung mit der Flamme eine Druckpulsation in der Brennkammer anzufachen.
  18. Verfahren nach Anspruch 17,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betriebszustand in einem Lastbereich der Gasturbine von 50 - 100% liegt.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18
    dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (1) in dem mindestens ersten Betriebszustand mit einer Relativgeschwindigkeit von 50 bis 100 m/s, insbesondere von 60 bis 80 m/s zwischen den beiden Passagen des Brenners (24) betrieben wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19
    dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Geschwindigkeit in der Primärbrennstoffpassage hierbei 120 bis 180 m/s, insbesondere 140 bis 160 m/s beträgt.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung von Druckpulsationen, insbesondere in dem ersten Betriebszustand, dem Primärbrennstoffstrom in der Primärbrennstoffpassage mittels eines Drallerzeugers ein Drall von 1.6 bis 2.2, insbesondere von 1.7 bis 2.0 aufgeprägt wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung von Druckpulsationen, insbesondere in dem ersten Betriebszustand, ein Anteil von 10 bis 30 %, insbesondere von 15 bis 25 %, des Primärbrennstoffstroms aus der Primärbrennstoffpassage über Eindüsöffnungen (64) in die Luftpassage (32) abgezweigt und über den Luftpassagenaustritt in die Verbrennungszone eingeleitet wird.
  23. Brennstoffdüse (40) für einen Brenner (24) einer Gasturbine (1),
    dadurch gekennzeichnet, dass sie als Bestandteil des Brenners (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 verwendbar ist.
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