EP3134677B1

EP3134677B1 - Brenner mit fluidischem oszillator, für eine gasturbine und gasturbine mit mindestens einem derartigen brenner

Info

Publication number: EP3134677B1
Application number: EP15763533.5A
Authority: EP
Inventors: Andreas Böttcher; Olga Deiss; Thomas Grieb; Matthias Hase; Werner Krebs; Patrick Lapp; Sebastian Pfadler; Daniel Vogtmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2035-09-07
Also published as: US20170254541A1; JP2017527765A; CN106662328A; JP6321282B2; EP3134677A1; WO2016037966A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für eine Gasturbine mit einer zentralen Brennerachse und einer die Brennerachse zumindest abschnittsweise umgebenden Vormischpassage. Die Vormischpassage weist somit eine Passagen-Querschnittsfläche auf, welche um die Brennerachse herum verläuft. Die zentrale Brennerachse ist eine gedachte, unendlich lange Linie. Die Passagen-Querschnittsfläche kann beispielsweise ringförmig oder als Vollkreis um die Brennerachse herum angeordnet sein. Mit anderen Worten kann die Vormischpassage koaxial (gleiche Rotationsachse) zur Brennerachse verlaufen. Der Durchmesser des Rings oder Vollkreises kann entlang des Brennerachsenabschnittes variieren. Insbesondere kann die Vormischpassage zumindest abschnittsweise als Ringraumpassage (Querschnitt ringförmig) ausgebildet sein, welche in einen Vormischpassagenabschnitt übergehen kann, der im Querschnitt als Vollkreis ausgebildet ist.
Die Vormischpassage ist nach radial außen von einer Wand begrenzt. Die Vormischpassage ist im Betrieb von Verdichterluft durchströmbar. Sie dient einem Vermischen von Brennstoff und Luft, wobei in der Vormischpassage eine Brennerlanze oder Brennernabe und eine Anzahl Brennstoffinjektoren angeordnet sind. Die Brennstoffinjektoren, welche sich von der Brennerlanze/-nabe in Richtung der Wand erstrecken, sind fluidisch mit einer zumindest teilweise von der Brennerlanze/-nabe umfassten Brennstoffzufuhranordnung verbundende und weisen Brennstoffdüsen auf. Die Brennstoffinjektoren können beispielsweise sowohl Brennstoffdüsen für gasförmigen Brennstoff als auch Brennstoffdüsen für einen Ölbetrieb umfassen. Gleiches gilt für die Brennerlanze/-nabe, welche alternativ auch ohne Brennstoffdüsen ausgebildet sein kann.
Die Brennerlanze kann im Rahmen dieser Erfindung auch mit Brennernabe bezeichnet werden.
Die Brennerlanze kann zentral in der Vormischpassage angeordnet sein. Die Brennerlanze kann von stromauf in die Vormischpassage hineinragen, so dass die Passage nur abschnittsweise nach radial innen von der Brennerlanze begrenzt wird. Die Vormischpassage kann beispielsweise in diesem Fall stromab der Brennerlanze eine vollkreisförmige Querschnittsfläche aufweisen. Die Brennerlanze kann sich aber auch im Wesentlichen bis zum Ausgang der Vormischpassage erstrecken.
Alternativ kann die Vormischpassage nach radial innen zumindest abschnittsweise von einer zentral in der Passage angeordneten Brennernabe mit im Wesentlichen kegelstumpfmantelförmiger Oberfläche begrenzt sein, welche die Vormischpassage von stromauf bis zu einem Endbereich der Nabe nach radial innen begrenzt. Die Vormischpassage kann stromab der Nabe in einen im Querschnitt vollkreisförmigen Vormischbereich übergehen. Entlang der Nabe weist die Vormischpassage somit eine ringförmige Passagen-Querschnittsfläche auf, deren Durchmesser sich in Strömungsrichtung verringern kann. Insbesondere können in der Brennernabe weitere Vormischpassagen angeordnet sein oder beispielsweise ein zentraler Pilotbrenner.
Die Vormischpassage kann im Rahmen dieser Erfindung auch mit Vormischkanal bezeichnet werden. Über die Brennstoffinjektoren wird Brennstoff in die Vormischpassage eingedüst und kann sich bis zum stromab angeordneten Ausgang der Vormischpassage mit einem die Vormischpassage durchströmenden Verdichterluftstrom vermischen, so dass der Vormischbrenner an seinem Ausgang ein Brennstoff/Luft-Gemisch zur Entladung in eine Brennkammer bereitstellt. Zusätzlich kann auch Brennstoff über direkt an der Brennerlanze angeordnete Brennstoffdüsen eingedüst werden
Mit den gattungsgemäßen Brennern wird eine möglichst schadstoffarme Verbrennung und eine Vermeidung thermoakustischen Instabilitäten bei der Verbrennung angestrebt. Insbesondere Vormischbrenner weisen im Betrieb zwar geringe Schadstoffemissionen auf, sind dafür aber anfälliger für die Ausbildung von Druckpulsationen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brenner der eingangs genannten Art für eine Gasturbine anzugeben, mit welchem im Betrieb des Brenners eine Verringerung von Schadstoffemissionen oder eine Verringerung von Druckpulsationen ermöglicht ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Brenner der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Brennstoffzufuhranordnung mindestens einen fluidischen Oszillator mit einer Wechselwirkungskammer umfasst, wobei ein Eingang der Wechselwirkungskammer an einen Brennstoffkanal der Brennstoffzufuhranordnung angeschlossen ist und ein erster Ausgangskanal der Wechselwirkungskammer sich mindestens bis zu einer ersten Brennstoffdüse erstreckt und ein zweiter Ausgangskanal sich mindestens bis zu einer zweiten Brennstoffdüse erstreckt, wobei der fluidische Oszillator je Ausgangskanal eine Rückkopplungsleitung umfasst, wobei die Rückkopplungsleitung mit ihrem einen Ende in den Bereich stromab der mindestens einen Brennstoffdüse in den jeweiligen Ausgangskanal einmündet und mit dem anderen Ende in einen Eingangsbereich der Wechselwirkungskammer.
Beispielsweise kann die mindestens erste und die mindestens zweite Brennstoffdüse bzw. die erste und zweite Gruppe an Brennstoffdüsen an einem gemeinsamen Brennstoffinjektor angeordnet sein und für eine möglichst homogene Verteilung des Brennstoffs in der Vormischpassage in radialer Richtung verteilt angeordnet sein. Die mindestens erste Brennstoffdüse könnte beispielsweise auch auf einer Saugseite und die mindestens zweite Brennstoffdüse auf einer Druckseite eines drallschaufelartig ausgebildeten Brennstoffinjektors angeordnet sein. Die erste und zweite Gruppe an Brennstoffdüsen können beispielsweise auch an unterschiedlichen Brennstoffinjektoren angeordnet sein. Beispielsweis in im Wesentlichen gegenüberliegend an der Brennerlanze angeordneten Brennstoffinjektoren.
Fluidische Oszillatoren sind seit langem bekannt als fluidische Steuerelemente, die ohne teure Ventile auskommen. Beispielsweise werden diese zur Zufuhr von Luft in die Grenzschicht von Tragflächen eingesetzt zur Vermeidung einer Ablösung der Grenzschicht. Fluidische Oszillatoren im Bereich der Brennstoffeinspritzung in Gasturbinenbrennkammern sind beispielsweise aus den Schriften US 20110023493 und US 3748852 bekannt.
Fluidische Oszillatoren werden mit einem an ihrem Eingang anliegenden und unter Druck stehenden Fluidstrom betrieben. Dieser Fluidstrom wird in der Wechselwirkungskammer in eine Oszillation versetzt, so dass der mindestens eine Ausgang der Kammer abwechselnd mit dem austretenden Strahl beaufschlagt wird. Aus den Ausgangskanälen des fluidischen Oszillators tritt somit ein pulsierender Fluidstrom aus, wobei die Ausgangskanäle abwechselnd das Fluid ausdüsen. Aus dem Stand der Technik sind Fluidische Oszillatoren mit Rückkopplungsleitungen bekannt, welche zur Stabilisierung der Oszillation in der Wechselwirkungskammer einen Ausgangsbereich der Wechselwirkungskammer mit einem Eingangsbereich der Wechselwirkungskammer verbinden. Die Rückkopplungsleitungen des Standes der Technik münden mit ihrem einen Ende jeweils nahe eines Ausgangs der Wechselwirkungskammer in die Wechselwirkungskammer ein und münden mit ihrem anderen Ende stromauf des Ausgangs nahe am Eingang der Wechselwirkungskammer in die Wechselwirkungskammer ein. Wird der jeweilige Ausgang im Laufe der Oszillation mit einem Fluidstrom beaufschlagt, führt dies zu einem erhöhten Druck am einen Ende der Rückkopplungsleitung, welcher durch die Leitung auf den Eingangsbereich weitergeleitet wird in den Bereich, an dem die Strömung gerade an einer Seitenwand der Wechselwirkungskammer anliegt. Dadurch neigt die oszillierende Strömung dazu sich von der Seitenwand abzulösen. Dies führt zu einer die Oszillation stabilisierenden Rückkopplung der Druckverhältnisse zwischen Ausgang- und Eingangsbereich der Wechselwirkungskammer.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, die Rückkopplungsleitungen nicht wie im Stand der Technik in den Ausgangsbereich der Wechselwirkungskammer münden zu lassen, sondern in jeweils einen Ausgangskanal in einen Bereich stromab einer mindestens einen Brennstoffdüse oder Brennstoffdüsengruppe, zu der sich der Ausgangskanal erstreckt. Dies ermöglicht es erfindungsgemäß, die Druckverhältnisse in der Vormischpassage im unmittelbaren Vormischpassagenbereich vor den Brennstoffdüsen in das Rückkopplungssignal mit einfließen zu lassen. Der Ausgangskanal kann stromab der Brennstoffdüse bzw. der Brennstoffdüsengruppe ein Endstück aufweisen, in das der Rückkopplungskanal einmündet.
Ist der statische Druck in der Vormischpassage im Bereich einer Brennstoffdüsengruppe höher, fließt weniger Brennstoff durch den Ausgangskanal und der dynamische Druck in dem Ausgangkanal ist geringer. Dadurch fällt bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Rückkopplungsleitung das Rückkopplungssignal geringer aus und der Brennstoff wird länger in dem Ausgangkanal strömen als bei umgekehrten Druckverhältnissen vor den Brennstoffdüsen des Ausgangskanals in der Vormischpassage. Ist der statische Druck in der Vormischpassage im Bereich einer Brennstoffdüsengruppe niedriger, fließt bei Beaufschlagung des zugehörigen Ausgangs der Wechselwirkungskammer mehr Brennstoff durch den zugehörigen Ausgangskanal und der dynamische Druck in dem Ausgangskanal ist höher. Da die zugehörige Rückkopplungsleitung stromab der mindestens einen Brennstoffdüse des Ausgangskanals in den Ausgangskanal mündet, ist der Druck in der in den Endbereich des Ausgangskanals mündenden Rückkopplungsleitung höher und der zugehörige Brennstoffstrahl wird schneller von der Seitenwand im Eingangsbereich der Wechselwirkungskammer sich ablösen und den nächsten Ausgang mit Brennstoff beaufschlagen. Somit wird die Oszillation des Brennstoffstrahls in der Wechselwirkungskammer den Ausgangskanal länger mit Brennstoff beaufschlagen, dessen mindestens eine Brennstoffdüse in einen Bereich der Vormischpassage mündet, in welchem ein höherer Druck herrscht. Dadurch wird der Effekt ausgeglichen, dass im allgemeinen weniger Brennstoff aus Brennstoffdüsen austritt, die in einen Bereich höheren Passagendrucks einmünden bzw. mehr Brennstoff eingedüst wird in Bereiche geringen Drucks. Durch diesen Ausgleich kann erfindungsgemäß eine homogenere Brennstoffkonzentration in der Vormischpassage erzeugt werden. Somit regelt sich die Eindüsung des Brennstoffs durch die mindestens zwei an den fluidischen Oszillator angeschlossenen Brennstoffdüsengruppen bzw. Brennstoffdüsen selbstständig, ohne dass eine zusätzliche Steuervorrichtung notwendig wäre. Die resultierende homogenere Verteilung der Brennstoffkonzentration in der Vormischpassage führt zu reduzierten Schadstoffemissionen. Durch die zeitlich und örtlich flukturierende Brennstoffeindüsung wird zudem eine gute Durchmischung des von den Brennstoffdüsengruppen ausgedüsten Brennstoffs mit der vorbeiströmenden Verdichterluft bewirkt. Erfindungsgemäß wird aufgrund der flukturierenden Brennstoffeindüsung durch den fluidischen Oszillator auch eine Verbreiterung des Verzugszeitenprofils des Brenners bewirkt, wodurch eine Wechselwirkung des Brenners mit der Flamme und ein Anfachen thermoakustischer Schwingungen verringert wird.
Zur Erläuterung des Begriffs thermoakustische Schwingung und Verzugszeit sei angemerkt, dass es in einer Brennkammer zu einer Wechselwirkung von akustischen Schwingungen und Schwankungen in der Wärmefreisetzung kommen kann. Diese können sich gegenseitig aufschaukeln, wenn es sich um Frequenzen handelt, die mit sogenannten Eigenmoden der Gasturbine zusammenfallen. Diese Eigenmoden sind abhängig von der Größe und Bauform der jeweiligen Gasturbine. Derartige thermoakustische Schwingungen können beim Betrieb der Gasturbine zu erheblichen Schäden an den Bauteilen führen und eine Abschaltung der Anlage erzwingen.
Um das Anregen von thermoakustischen Schwingungen zu vermeiden, kann das sich im Betrieb einstellende Verzugszeitenprofil des Brenners möglichst breit sein, wobei die Verzugszeit die Zeit ist, die ein aus der Brennstoffdüse austretendes Fluid bis zum Erreichen der Flamme benötigt.
Die durch den fluidischen Oszillator mit Brennstoff versorgten Brennstoffdüsen bzw. Brennstoffdüsengruppen des Brenners weisen aufgrund des sowohl zeitlich als auch örtlich pulsierende Brennstoffstrahls am Austritt der Düsen bedingt eine Fluktuation des Brennstoff-Konzentrationsprofils in der vorbeiströmenden Verdichterluft auf, was wiederum die thermoakustische Stabilität aufgrund eines verbreiterten Verzugszeitenprofils des Brenners verbessert- beispielsweise im Vergleich zu Brennern mit herkömmlichen Druck-Drall Düsen oder Vollstrahldüsen. Eine Frequenz der pulsierenden Eindüsung des Brennstoffs kann beispielsweise durch die Größe der Wechselwirkungskammer eingestellt werden. Der Brenner kann mehrere fluidische Oszillatoren umfassen, welche jeweils mindestens zwei Ausgangskanäle mit jeweils mindestens einer Brennstoffdüse bzw. Gruppe von Brennstoffdüsen mit Brennstoff versorgen.
Es sind unterschiedliche Typen von fluidischen Oszillatoren bekannt, welche sich in ihrem Aufbau unterscheiden. Die Erfindung ist nicht auf einen speziellen Typ dieser fluidischen Oszillatoren beschränkt. All diesen Typen ist gemein, dass diese eine Wechselwirkungskammer aufweisen, in die ein unter Druck stehender Fluidstrahl durch einen Eingang eintritt. Der Strahl legt sich periodisch an unterschiedliche Seitenwände bzw. Seitenwandbereiche der Wechselwirkungskammer an, so dass man von einer Wechselwirkung des Strahls mit den Seitenwänden der Kammer sprechen kann, wobei eine Oszillation des Strahls angefacht wird, so dass der Strahl periodisch auf unterschiedlichen Wegen durch die Kammer hindurch strömt und im Ausgangsbereich folglich periodisch durch unterschiedliche Ausgänge der Wechselwirkungskammer diese verlässt bzw. in unterschiedlichen Richtungen einen zentralen Ausgang der Wechselwirkungskammer verlässt. Der Strahl legt sich somit mindestens an zwei gegenüberliegende Seitenwandbereiche periodisch an bzw. löst sich wieder ab, was durch Verzögerung der Strömung hervorgerufen wird.
Die Funktionsweise fluidischer Oszillatoren ist Stand der Technik, so dass die fluidischen Oszillatoren hier nur kurz erläutert sind. In der Zeichnung sind zudem einige Typen an fluidischen Oszillatoren dargestellt. Die Erfindung ist unabhängig von dem verwendeten Typ des fluidischen Oszillators. Die Erfindung geht bevorzugt von einem fluidischen Oszillator aus, der aufgrund divergierender Seitenwände im Eingangsbereich der Wechselwirkungskammer zu einem Anfachen der Oszillation des eintretenden Strahls führt. Insbesondere geht die Erfindung bevorzugt von einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Ausbildung der Wechselwirkungskammer aus mit dem Eingang um die Rotationsachse an einem Ende der Kammer und dem Ausgangsbereich mit dem mindestens einen Ausgang gegenüberliegend angeordnet. Zum Anfachen der Oszillation erweitert sich die Wechselwirkungskammer bei dieser Art der Wechselwirkungskammer mindestens im Eingangsbereich der Kammer in Richtung Ausgangsbereich diffusorartig. Die Funktionsweise der Rückkopplunsleitungen wurde bereits weiter oben erläutert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.
Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der erste Ausgangskanal sich bis zu einer ersten Gruppe von Brennstoffdüsen erstreckt und der zweite Ausgangskanal sich bis zu einer zweiten Gruppe Brennstoffdüsen erstreckt, wobei die Rückkopplungsleitung jeweils in einen Bereich stromab der jeweiligen Gruppe an Brennstoffdüsen in den Ausgangskanal einmündet.
Die erste und zweite Gruppe an Brennstoffdüsen bzw. die erste und zweite Brennstoffdüse kann beispielsweise in einem gemeinsamen Brennstoffinjektor angeordnet sein. Bei dem Brennstoffinjektor kann es sich beispielsweise um eine Drallschaufel eines Drallerzeugers handeln. Da auf der Saug- und der Druckseite der Schaufel unterschiedliche Drücke in der Vormischpassage herrschen, kann die erste Brennstoffdüse bzw. die erste Gruppe Brennstoffdüsen auf der Saug- und die zweite Brennstoffdüse bzw. Brennstoffdüsengruppe auf der Druckseite der Drallschaufel angeordnet sein. Erfindungsgemäß kann dadurch eine annähernd gleiche Menge an Brennstoff beidseitig der Schaufel eingedüst werden.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Rückkopplungsleitung sich stromab der mindestens einen Brennstoffdüse an den Ausgangskanal anschließt.
Der Ausgangskanal und die Rückkopplungsleitung können hierbei unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die mindestens erste Brennstoffdüse und die mindestens zweite Brennstoffdüse in unterschiedlichen Brennstoffinjektoren angeordnet sind.
Insbesondere kann es als vorteilhaft angesehen werden, dass die beiden Brennstoffinjektoren im Wesentlichen gegenüberliegend an der Brennerlanze angeordnet sind.
Somit lässt sich die Brennstoffkonzentration in der Vormischpassage in den mindestens beiden gegenüberliegenden Bereichen trotz unterschiedlicher Druckverhältnisse in den Bereichen aneinander angleichen.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die mindestens zwei Brennstoffdüsen bzw. mindestens zwei Brennstoffdüsengruppen in einem gemeinsamen Brennstoffinjektor angeordnet sind und sich in ihrer radialen Anordnung in der Vormischpassage unterscheiden, so dass sich die Brennstoffkonzentration in radialer Richtung trotz unterschiedlicher Druckverhältnisse im brennerlanzennahen und brennerlanzenfernen Bereich der Vormischpassage vergleichmäßigen lässt. Der fluidische Oszillator kann in der Brennernabe oder auch im Brennstoffinjektor angeordnet sein.
Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass der Brenner mehr als zwei derart mit dem fluidischen Oszillator verbundene Gruppen von Brennstoffdüsen in unterschiedlichen Brennstoffinjektoren umfasst.
Dies ermöglicht eine Vergleichmäßigung der Brennstoffkonzentration in der Vormischpassage stromab der unterschiedlichen Brennstoffinjektoren.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die unterschiedlichen Brennstoffinjektoren umlaufend an der Brennerlanze angeordnet sind und die zugehörigen Ausgangskanäle umlaufend an der Wechselwirkungskammer.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass der mindestens eine Brennstoffinjektor einen Grundkörper umfasst, an welchem die von dem Brennstoffinjektor umfassten Brennstoffdüsen angeordnet sind, wobei der Grundkörper insbesondere eine Drallschaufel eines Drallerzeugers ist.
Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass die Wechselwirkungskammer an ihrem einen Ende den Eingang und an einem gegenüberliegenden Ende einen Ausgangsbereich umfasst und von Seitenwänden oder Seitenwandbereichen begrenzt ist, die sich vom Eingang der Kammer bis zu dem die Ausgänge umfassenden Ausgangsbereich erstrecken, wobei mindestens zwei gegenüberliegend angeordnete Seitenwände oder Seitenwandbereiche mindestens im Eingangsbereich in Richtung des Ausgangs divergieren.
Die Oszillation eines unter Druck in die Wechselwirkungskammer durch den Eingang eintretenden Brennstoffstrahls wird gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung angefacht durch ein abwechselndes Anlegen des Strahls an die divergent ausgebildeten Seitenwandbereiche. Die Anfachung der Oszillation in der erfindungsgemäßen Wechselwirkungskammer beruht auf der im Eingangsbereich durch die divergierenden Seitenwände/Seitenwandbereiche hervorgerufenen Strömungsverzögerung.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass mindestens zwei gegenüberliegend angeordnete Seitenwände im Eingangsbereich der Wechselwirkungskammer in Richtung Ausgang divergieren unter einem Winkel größer als 7,5 Grad zu einer Einströmrichtung des Eingangs der Wechselwirkungskammer.
Öffnungswinkel der Wechselwirkungskammer, die zum Anfachen einer Oszillation geeignet sind, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Winkel von mindestens 7,5 Grad zur Einströmrichtung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Wechselwirkungskammer im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist, wobei die Wechselwirkungskammer sich mindestens im Eingangsbereich in Richtung Ausgang diffusorartig erweitert.
Durch den rotationssymmetrischen Aufbau des fluidischen Oszillators erhält man eine umlaufende Beaufschlagung der im Ausgangsbereich der Wechselwirkungskammer beginnenden Ausgangskanäle mit Brennstoff.
Der fluidische Oszillator kann beispielsweise zentral in der Brennerlanze angeordnet sein und rotierend umlaufend an der Brennerlanze angeordnete Brennstoffinjektoren mit Brennstoff versorgen, wobei jeweils mindestens ein Augangskanal des fluidischen Oszillators sich zu jeweils einer Gruppe von Brennstoffdüsen eines Brennstoffinjektors erstreckt. Die umlaufenden Brennstoffinjektoren können gemeinsam zwei Brennstoffstufen umfassen. Für jede Stufe kann ein eigener fluidischer Oszillator vorgesehen sein.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brenneranordnung mit einer Anzahl von Brennern anzugeben,

wobei Hauptbrenner in einem oder mehreren konzentrisch zueinander angeordneten Kreisen angeordnet sind, mit welcher im Betrieb der Brenneranordnung eine Verringerung von Schadstoffemissionen oder eine Verringerung von Druckpulsationen ermöglicht ist.

Hierzu ist mindestens ein Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
Bei dem Brenner kann es sich beispielsweise um einen zentral angeordneten Pilotbrenner der Brenneranordnung handeln. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können zusätzlich oder alternativ auch die Hauptbrenner der Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet sein.
Der erfindungsgemäße Brenner bzw. die erfindungsgemäße Brenneranordnung ermöglicht eine besonders stabile Verbrennung, insbesondere auch im Teillastbetrieb.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer für eine Gasturbine und eine Gasturbine anzugeben, mit welcher im Betrieb eine Verringerung von Schadstoffemissionen oder eine Verringerung von Druckpulsationen in der Brennkammer ermöglicht ist.
Hierzu umfasst die Brennkammer mindestens einen Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und die Gasturbine mindestens eine Brennkammer nach Anspruch 13.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen 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 in einem Längsschnitt,
Fig. 2, 3: schematisch zwei Typen von fluidischen Oszillatoren gemäß dem Stand der Technik in einem Längsschnitt,
Fig.4: schematisch einen Ausschnitt einer Brennkammer 10 des Standes der Technik in einem Längsschnitt,
Fig.5: schematisch einen Hauptbrenner der in Fig.4 dargestellten Brenneranordnung in einem Längsschnitt,
Fig.6: schematisch einen erfindungsgemäßen Brenner gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Längsschnitt, und
Fig.7: schematisch einen erfindungsgemäßen Brenner gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Längsschnitt.

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 einer Anzahl an Brennkammern 10, die jeweils eine Brenneranordnung mit Brennern 11, ein Brennstoffversorgungssystem für die Brenner (nicht dargestellt) und ein Gehäuse 12 umfassen, eine Turbine 14 und ein Abgasgehäuse 15. Die Brennkammer 10 kann beispielsweise eine Ringbrennkammer sein. Die Gasturbine könnte aber auch Rohrbrennkammern umfassen, welche beispielsweise ringförmig an dem Turbineneintritt angeordnet sind.
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 11 in die Brennkammer 10 eingeleitet und verbrennen unter Bildung eines heißen Arbeitsgasstromes in einer Verbrennungszone innerhalb des Brennkammergehäuses 12 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 einen fluidischen Oszillator eines ersten Typs nach dem Stand der Technik im Längsschnitt.
Der Oszillator 24a umfasst eine Wechselwirkungskammer 26 mit einem Eingang 28 mit einem Eingangsbereich 30 und einem gegenüberliegend angeordneten Ausgangsbereich 32 mit einem ersten Ausgang 34 und einem zweiten Ausgang 36. Je Ausgang ist eine relativ dünne Rückkopplungsleitung 38 angeordnet, die den Eingangsbereich mit dem Ausgangbereich verbindet.
Die Seitenwandbereiche 40 divergieren in Richtung Ausgang, so dass die Wechselwirkungskammer 26 einen dreieckigen Längsschnitt aufweist. Der Oszillator 24a ist nicht rotationssymmetrisch aufgebaut, sondern weist normal zur Zeichenebene einen konstanten Längsschnitt auf.
Die Figur 3 zeigt einen fluidischen Oszillator 24b eines zweiten Typs nach dem Stand der Technik im Längsschnitt. Der Oszillator 24b ist ebenfalls nicht rotationssymmetrisch aufgebaut, sondern weist normal zur Zeichenebene einen konstanten Längsschnitt auf. Der Eingang 28 ist mittig in der Wechselwirkungskammer 26 angeordnet innerhalb eines Leitmittels 42, so dass ein unter Druck eintretender Strahl frontal auf die gegenüberliegende Seitenwand 44 gelenkt wird. Der Strahl strömt abwechselnd links und rechts an dem Leitmittel in Richtung des Ausgangsbereichs 32 und beaufschlagt hierbei abwechselnd die Ausgänge 34 und 36 mit dem Fluid, so dass der Strahl abwechselnd durch den einen und den anderen Ausgang aus der Kammer austritt mit einer Frequenz, die durch die Größe der Wechselwirkungskammer 26 bestimmt wird.
Fig. 4 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Brennkammer 10 des Standes der Technik mit einer Brenneranordnung 48 an einem Kopfende der Brennkammer. Die Brennkammer umfasst eine Brennkammerwand mit einem eine Verbrennungszone umfassenden Flammrohr 50 und einem sich an das Flammrohr anschließenden Übergangstück 52, welches sich bis zu einem Turbineneintritt der Gasturbine erstreckt. Zur Dämpfung von im Betrieb auftretenden thermoakustischen Schwingungen sind auf Höhe der Flamme Resonatoren 54 an der Brennkammerwand angeordnet. Die Brenneranordnung 48 umfasst einen zentralen Pilotbrenner 56 mit einer zentralen Pilotbrennerlanze 58 und einer Pilotbrenner-Vormischpassage 60. Der Pilotbrenner 56 umfasst einen sich in Strömungsrichtung konisch erweiternden Pilotkonus 62. Um den zentralen Pilotbrenner sind kreisförmig Hauptbrenner 64 angeordnet. Die Hauptbrenner 64 weisen jeweils eine Brennerachse 66 und eine konzentrisch zur Brennerachse angeordnete Vormischpassage 68 auf, wobei die Vormischpassage 68 nach radial außen von einer Wand 70 begrenzt ist und im Betrieb von Verdichterluft L" durchströmbar ist und einem Vermischen von Brennstoff und Luft L" dient, wobei in der Vormischpassage 68 eine zentrale Brennerlanze 72 und eine Anzahl Brennstoffinjektoren angeordnet sind, welche sich von der Brennerlanze in Richtung der Wand 70 erstrecken und fluidisch mit einer von der Brennerlanze 72 umfassten Brennstoffzufuhranordnung verbundenden sind und Brennstoffdüsen aufweisen. Die Brennstoffinjektoren sind als Drallschaufeln eines Drallerzeugers 74 ausgebildet, wobei Brennstoffdüsen an den Drallschaufeln angeordnet sind.
Die Figur 5 zeigt einen Hauptbrenner 64 der Brenneranordnung der Fig.4 schematisch im Längsschnitt. Der Brenner 64 weist eine zentrale Brennerachse 66 auf und eine die Brennerachse zumindest abschnittsweise umgebende Vormischpassage 68, wobei die Vormischpassage nach radial außen von einer Wand 70 begrenzt ist und im Betrieb von Verdichterluft L" durchströmbar ist und einem Vermischen von Brennstoff und Luft dient. In der Vormischpassage 68 ist eine zentrale Brennerlanze 72 und eine Anzahl an Brennstoffinjektoren 79 angeordnet. Die Brennstoffinjektoren 79 umfassen jeweils einen in der Vormischpassage angeordneten Grundkörper 71, welcher als Drallschaufeln 76 eines Drallerzeugers 74 ausgebildet ist. Die Brennstoffinjektoren 79 umfassen Brennstoffdüsen 80, welche sich an der Oberfläche der Drallschaufeln 76 in die Vormischpassage 68 öffnen. Die Brennstoffdüsen 80 sind zur Versorgung mit Brennstoff fluidisch mit einer Brennstoffzufuhranordnung 73 verbunden. Die Brennstoffzufuhranordnung 73 umfasst einen in der Brennerlanze verlaufen Brennstoffkanal 82 und Brennstoffzufuhrkanäle 78, die sich in die Drallschaufeln 76 bis zu den jeweiligen Brennstoffdüsen 80 erstrecken.
Die Figur 6 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Brenner 84 im Längsschnitt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu dem in Figur 5 dargestellten Brenner 64 des Standes der Technik weist die Brennstoffzufuhranordnung 73 mindestens einen fluidischen Oszillator 85 mit einer Wechselwirkungskammer 26 auf, wobei ein Eingang 28 der Wechselwirkungskammer an den Brennstoffkanal 82 der Brennstoffzufuhranordnung 73 angeschlossen ist. Die Wechselwirkungskammer 26 weist gegenüberliegend des Eingangsbereichs 30 mit Eingangs 28 einen Ausgangsbereich 32 mit zwei Ausgängen 34 und 36 auf. Ein erster Ausgangskanal 86 erstreckt sich vom Ausgang 34 bis zu einer ersten Gruppe Brennstoffdüsen 80a in einem ersten Brennstoffinjektor 79a. Ein zweiter Ausgangskanal 88 erstreckt sich von dem Ausgang 36 bis zu einer zweiten Gruppe Brennstoffdüsen 80b in einem gegenüberliegend angeordneten Brennstoffinjektor 79b, wobei der fluidische Oszillator 85 je Ausgangskanal eine Rückkopplungsleitung 38a, 38b umfasst, wobei die Rückkopplungsleitung 38a, 38b mit ihrem einen Ende in den jeweiligen Ausgangskanal 86, 88 stromab der von dem Ausgangskanal umfassten Brennstoffdüsen 80a, 80b einmündet und mit dem anderen Ende in den Eingangsbereich 30 der Wechselwirkungskammer 26.
Wird der Eingang 28 des fluidischen Oszillators 85 im Betrieb des Brenners mittels des Brennstoffkanals 82 mit einem mit Druck beaufschlagten Brennstoffstrom versorgt, wird der Brennstoffstrom in der Wechselwirkungskammer 26 aufgrund der divergierenden Seitenwände im Eingangsbereich 30 zu einem oszillierenden Anliegen an den Seitenwänden der Kammer angeregt und versorgt somit abwechselnd die Ausgänge 34 und 36 mit Brennstoff. Durch die Ausgangskanälen 86, 88 fließt der Brennstoff zu den jeweiligen Brennstoffdüsengruppen, so dass aus diesen ein pulsierender Brennstoffstrom in die Vormischpassage 68 eingedüst wird. Bei den Brennstoffdüsen kann es sich beispielsweise um Vollstrahldüsen oder Druck-Drall-Düsen handeln. Die Rückkopplungsleitung 38a schließt stromab der Brennstoffdüsen 80a an den Ausgangskanal 86 an und koppelt den am Ende des Ausgangskanals herrschenden Druck auf den Eingangsbereich 30 der Wechselwirkungskammer zurück. Der am Ende des Ausgangskanals herrschende Druck wird hierbei von dem Druck in der Vormischpassage unmittelbar vor den Brennstoffdüsen 80a beeinflusst, so dass bei einem hohen Druck in diesem Bereich die Brennstoffversorgung langsamer auf die zweite Gruppe Brennstoffdüsen 80b umgeschaltet wird, als dies bei einem niedrigeren Druck der Fall wäre. Somit wird die Gruppe Brennstoffdüsen eine längere Zeit Brennstoff in den vorbeiströmenden Verdichterluftstrom eindüsen, vor der der Druck in der Vormischpassage höher ist, so dass sich am Ausgangs des Brenners auch bei unterschiedlichen Druckverhältnissen auf beiden Seiten der Brennerlanze 72 eine gleichmäßigere Brennstoffkonzentration einstellen. Dies wirkt einem Anfachen von Druckpulsationen entgegen und reduziert die Entstehung von Schadstoffemissionen.
Die Figur 7 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Brenner 90 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Brenner 90 weist eine zentrale Brennerachse 66 auf, eine konzentrisch zur Brennerachse 66 verlaufende ringraumförmige Vormischpassage 92, die nach außen von einer Wand 70 begrenzt ist, und eine zentral angeordnete Brennernarbe 94. In der Vormischpassage 92 ist ein Diagonalgitter 96 angeordnet, welches der in der Vormischpassage strömenden Verdichterluft L" einen Drall aufprägt. Das Diagonalgitter besteht aus einer Anzahl um die Nabe umlaufend angeordneter Brennstoffinjektoren 98, deren in der Vormischpassage angeordneter Grundkörper der vorbeiströmenden Verdichterluft L" eine in Umfangsrichtung der Passage weisende Geschwindigkeitskomponente aufprägt. In der Brennernabe 94 verläuft mindestens ein Brennstoffkanal 82, der im Konus der Brennernabe umlaufend ausgebildet sein kann und über den Brennstoffdüsen 80, 80a, 80b der Brennstoffinjektoren 98 mit Brennstoff versorgt werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel erstrecken sich in mindestens einen Brennstoffinjektor 100 mindestens zwei Ausgangskanäle eines fluidischen Oszillators (nicht dargestellt). Der fludische Oszillator ist fluidisch zwischen den Brennstoffkanal 82 und mindestens eine erste und zweite Gruppe von Brennstoffdüsen angeordnet, die in dem Brennstoffinjektor 100 über einen ersten und einen zweiten Ausgangskanal (nicht dargestellt) des fluidischen Oszillators mit Brennstoff versorgt werden. Die Brennstoffdüsen der ersten Gruppe sind mit 80a bezeichnet und nabenseitig an dem Brennstoffinjektor angeordnet, wobei die Brennstoffdüsen der zweiten Gruppe mit 80b bezeichnet sind und radial weiter außen an dem Brennstoffinjektor Brennstoff in die Vormischpassage eindüsen. Das Ausführungsbeispiel ermöglicht es, auch bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Druckverhältnissen im Außen- bzw. nabenseitigen Bereich der Vormischpassage ein in radialer Richtung homogene Brennstoffkonzentration am Ausgang der Vormischpassage zu erhalten.

Claims

Brenner (56, 64, 84) mit einer zentralen Brennerachse und einer die Brennerachse zumindest abschnittsweise umgebenden Vormischpassage (60, 68, 92), wobei die Vormischpassage nach radial außen von einer Wand (70) begrenzt ist im Betrieb von Verdichterluft durchströmbar ist und einem Vermischen von Brennstoff und Luft dient, wobei in der Vormischpassage eine Brennerlanze (58, 72, 94) oder Brennernabe und eine Anzahl Brennstoffinjektoren (79, 79a, 79b,98, 100) angeordnet sind, welche sich von der Brennerlanze oder Brennernabe in Richtung der Wand (70) erstrecken und fluidisch mit einer zumindest teilweise von der Brennerlanze oder Brennernabe umfassten Brennstoffzufuhranordnung (73) verbundene Brennstoffdüsen (80, 80a, 80b) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhranordnung (73) mindestens einen fluidischen Oszillator (24a, 24b, 85) mit einer Wechselwirkungskammer (26) umfasst, wobei ein Eingang (28) der Wechselwirkungskammer an einen Brennstoffkanal (82) der Brennstoffzufuhranordnung angeschlossen ist und ein erster Ausgangskanal (86) der Wechselwirkungskammer sich mindestens bis zu einer ersten Brennstoffdüse (80a) erstreckt und ein zweiter Ausgangskanal (88) sich mindestens bis zu einer zweiten Brennstoffdüse (80b) erstreckt, wobei der fluidische Oszillator je Ausgangskanal (86, 88) eine Rückkopplungsleitung (38, 38a, 38b) umfasst, wobei die Rückkopplungsleitung mit ihrem einen Ende in den Bereich stromab der mindestens einen Brennstoffdüse in den jeweiligen Ausgangskanal einmündet und mit dem anderen Ende in einen Eingangsbereich (30) der Wechselwirkungskammer (26) .
Brenner (56, 64, 84) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Ausgangskanal (86) sich bis zu einer ersten Gruppe von Brennstoffdüsen (80a) erstreckt und der zweite Ausgangskanal (88) sich bis zu einer zweiten Gruppe Brennstoffdüsen (80b) erstreckt, wobei die Rückkopplungsleitung (38a, 38b) jeweils in einen Bereich stromab der jeweiligen Gruppe an Brennstoffdüsen (80, 80a, 80b) in den jeweiligen Ausgangskanal einmündet.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rückkopplungsleitung (38a, 38b) sich stromab der mindestens einen Brennstoffdüse (80a, 80b) an den Ausgangskanal (86, 88) anschließt.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mindestens erste Brennstoffdüse und die mindestens zweite Brennstoffdüse in unterschiedlichen Brennstoffinjektoren (79a, 79b) angeordnet sind.
Brenner nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Brennstoffinjektoren (79a, 79b) im Wesentlichen gegenüberliegend an der Brennerlanze (72) angeordnet sind.
Brenner nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brenner mehr als zwei derart mit dem fluidischen Oszillator verbundene Gruppen von Brennstoffdüsen (80a, 80b) in unterschiedlichen Brennstoffinjektoren (79a, 79b) umfasst.
Brenner nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die unterschiedlichen Brennstoffinjektoren (79a, 79b) umlaufend an der Brennerlanze (72) angeordnet sind und die zugehörigen Ausgangskanäle (86, 88) umlaufend an der Wechselwirkungskammer (26) .
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mindestens eine Brennstoffinjektor (79) einen Grundkörper (71) umfasst, an welchem die von dem Brennstoffinjektor umfassten Brennstoffdüsen (80) angeordnet sind, wobei der Grundkörper insbesondere eine Drallschaufel (76) eines Drallerzeugers (74) ist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wechselwirkungskammer an ihrem einen Ende den Eingang (28) und an einem gegenüberliegenden Ende einen Ausgangsbereich (32) umfasst und von Seitenwänden oder Seitenwandbereichen (40) begrenzt ist, die sich vom Eingang der Kammer bis zu dem die Ausgänge (34, 36) umfassenden Ausgangsbereich (32) erstrecken, wobei mindestens zwei gegenüberliegend angeordnete Seitenwände oder Seitenwandbereiche (40) mindestens im Eingangsbereich (30) in Richtung des Ausgangsbereichs divergieren.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens zwei gegenüberliegend angeordnete Seitenwandbereiche (40) im Eingangsbereich der Wechselwirkungskammer in Richtung Ausgangsbereich divergieren unter einem Winkel größer als 7,5 Grad zu einer Einströmrichtung des Eingangs der Wechselwirkungs kammer.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wechselwirkungskammer im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist, wobei die Wechselwirkungskammer (26) sich mindestens im Eingangsbereich in Richtung Ausgangsbereich diffusorartig erweitert.
Brenneranordnung (48) mit einer Anzahl von Brennern,
- wobei Hauptbrenner (64) in einem oder mehreren konzentrisch zueinander angeordneten Kreisen angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Brenner (56, 64) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
Brennkammer (10) für eine Gasturbine (1),
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer mindestens einen Brenner (11, 48, 56, 64) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 umfasst.
Gasturbine mit mindestens einer Brennkammer,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer nach Anspruch 13 ausgebildet ist.