EP3563090A1 - Brenneranordnung mit einem umfangsstufungskonzept - Google Patents

Brenneranordnung mit einem umfangsstufungskonzept

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EP3563090A1
EP3563090A1 EP18706400.1A EP18706400A EP3563090A1 EP 3563090 A1 EP3563090 A1 EP 3563090A1 EP 18706400 A EP18706400 A EP 18706400A EP 3563090 A1 EP3563090 A1 EP 3563090A1
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burner
channels
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    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention relates to a burner arrangement with Mischkanä ⁇ len, in which Ver Whyrendluft and fuel are pre-mixed before they are injected as a fuel-air mixture in a combustion chamber.
  • WO 2015/176908 AI discloses such a burner arrangement which comprises a nozzle carrier with a hot side facing a combustion zone during operation and an opposite cold side facing away from the combustion zone, wherein passages in the nozzle carrier from the cold side to the hot side, ie parallel to the main axis the burner assembly horrre ⁇ ck, each with an inlet on the cold side and an outlet on the hot side.
  • the passages serve as Strahldü ⁇ sen, which are arranged on one or more circles, for example in two fuel groups, each with a group on a circle, and fuel lances are arranged at the inlets.
  • the two jet burner stages formed by the fuel groups are each substantially uniform in circumference with respect to the flame temperature because the fuel is evenly distributed. Only comparatively slight differences in air distribution result in comparatively low different flame temperatures.
  • the object of the invention is therefore to provide a burner assembly of the type mentioned, which has an improved behavior with respect to high-frequency vibrations.
  • the invention solves the addressed to a burner assembly object by providing that, in such a Bren ⁇ neran extract extending with several parallel to the main axis of the burner assembly and arranged on at least two concentric rings mixing channels in which during operation of the burner assembly of fuel and
  • Compressor air are mixed, the mixing channels are summarized in fuel ⁇ fuel levels, wherein a fuel stage mixing channels with common fuel supply, which are jointly controlled in operation, and wherein a, based on the geometric distribution of the respective fuel stages associated mixing channels, irregular Stu ⁇ tion in the circumferential direction of the burner assembly results.
  • the invention thus provides a primasstufung for the burner arrangement instead of the radial in the art of ⁇ fenbarten graduation.
  • Staging is carried out so that they on the circumference no Re ⁇ gel marching the type AABB (A and B are nozzles or groups of nozzles with common fuel supply).
  • a and B are nozzles or groups of nozzles with common fuel supply.
  • the proposed grading also allows for more stable operation of the burner assembly against flame loss during loading.
  • the burner assembly comprises a centrally disposed pilot burner to the combustion of the ⁇ bilize provided by the mixing ducts fuel-air mixture to sta.
  • a fuel stage consists of at least two subgroups, which in turn consist of at least two immediately adjacent mixing channels of different rings. The formation of subgroups stabilizes the flames of the respective ones
  • a number of mixing channels of a ring is twice as high within a Untergrup ⁇ pe no more than, like a number of mixing channels of another ring. This ensures that a ratio of the number of mixing channels of the individual subgroups over the entire burner arrangement is usefully distributed in order to ensure the highest possible combustion stability over all.
  • the subgroups a distinct An ⁇ number of mixed channels. This asymmetry helps to prevent high-frequency combustion oscillations.
  • the number of Mischkanä ⁇ le a fuel stage does not exceed more than 50%, data of the entire burner arrangement, the load of subsequent components due to adjustments of the fuel allocation to the individual fuel stages to avoid of combustion vibrations can be kept as small as possible.
  • FIG. 1 shows schematically and not to scale a burner assembly 1 with a plurality of parallel to the main axis 2 of the burner assembly 1 extending and arranged on two concentric rings 3 mixing channels 4, in which during operation of the burner assembly 1 fuel and
  • the mixing channels 4 are summarized in fuel stages 5, which are marked in the figure with A and B, that results in an irregular gradation in the circumferential direction 6 of the burner assembly 1.
  • the figure shows only an example, but the principle of a fuel staging over the circumference can be transferred to any number of mixing channels 4 and it is irrelevant whether it is an even or odd number of mixing channels 4. Also, the number of rings 3, on which the mixing channels 4 are arranged, may vary.
  • the burner assembly 1 can also have more than two premixed fuel stages 5 (A and B), but this is not sensible due to cost considerations.
  • the mixing ⁇ channels 4 of the fuel stages 5, which are designated A and B, are distributed unevenly over the circumference.
  • bil ⁇ always at least two adjacent mixing channels 4 from the inner and the outer ring 3, a sub-group 8 of the
  • a fuel level 5 may be made of two, three or more sub-groups ⁇ 8 with different numbers of mixing ducts 4 sawn In the example of the figure, there are two subgroups 8 per fuel level 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung (1) mit mehreren sich parallel zur Hauptachse (2) der Brenneranordnung (1) erstreckenden und auf mindestens zwei konzentrischen Ringen (3) angeordneten Mischkanälen (4), in denen während des Betriebs der Brenneranordnung (1) Brennstoff und Verdichterendluft gemischt werden, wobei die Mischkanäle(4) so in Brennstoffstufen (5) zusammengefasst sind, dass sich eine unregelmäßige Stufung in Umfangsrichtung (6) der Brenneranordnung (1) ergibt.

Description

BRENNERANORDNUNG MIT EINEM UMFANGSSTUFUNGSKONZEPT
Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung mit Mischkanä¬ len, in denen Verdichterendluft und Brennstoff vorgeschmischt werden, bevor sie als Brennstoff-Luft-Gemisch in eine Brennkammer eingedüst werden. Die WO 2015/176908 AI offenbart eine solche Brenneranordnung, die einen Düsenträger mit einer im Betrieb einer Verbrennungszone zugewandten Heißseite und eine gegenüberliegende, von der Verbrennungszone abgewandte Kaltseite umfasst, wobei sich Durchlässe im Düsenträger von der Kaltseite zur Heißsei- te, also parallel zur Hauptachse der Brenneranordnung erstre¬ cken, mit je einem Einlass auf der Kaltseite und einem Aus- lass auf der Heißseite. Die Durchlässe dienen als Strahldü¬ sen, die auf einem oder mehreren Kreisen, beispielsweise in zwei Brennstoffgruppen mit je einer Gruppe auf einem Kreis, angeordnet sind und an deren Einlässen Brennstofflanzen angeordnet sind. Die beiden durch die Brennstoffgruppen gebildeten Strahlbrennerstufen sind jeweils am Umfang im Wesentlichen gleichförmig bezüglich der Flammentemperatur, da der Brennstoff gleich verteilt wird. Lediglich durch vergleichs- weise leichte Luftungleichverteilung ergeben sich vergleichsweise geringe unterschiedliche Flammentemperaturen.
Während des Brennerbetriebs können Probleme mit hochfrequen¬ ten Schwingungen (HFD) aufgetreten, die den fahrbaren Bereich der Brenneranordnung einschränken, u.a. erreicht die Maschine nicht die Grundlast oder es erfolgt ein Maschinenschnell- schluss. Im schlimmsten Fall kommt es innerhalb kurzer Zeit zu Schäden an der Gasturbine. Dieses Problem kann durch Einsatz von Helmholtz-Resonatoren zumindest etwas verringert werden, ist jedoch bislang nicht vollständig gelöst. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brenneranordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die ein verbessertes Verhalten im Hinblick auf hochfrequente Schwingungen aufweist.
Die Erfindung löst die auf eine Brenneranordnung gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Bren¬ neranordnung mit mehreren sich parallel zur Hauptachse der Brenneranordnung erstreckenden und auf mindestens zwei kon- zentrischen Ringen angeordneten Mischkanälen, in denen während des Betriebs der Brenneranordnung Brennstoff und
Verdichterendluft gemischt werden, die Mischkanäle in Brenn¬ stoffstufen zusammengefasst sind, wobei eine Brennstoffstufe Mischkanäle mit gemeinsamer BrennstoffVersorgung umfasst, die im Betrieb gemeinsam angesteuert werden, und wobei sich eine, bezogen auf die geometrische Verteilung der den jeweiligen Brennstoffstufen zugehörigen Mischkanäle, unregelmäßige Stu¬ fung in Umfangsrichtung der Brenneranordnung ergibt. Die Erfindung sieht somit statt der im Stand der Technik of¬ fenbarten radialen Stufung eine Umfangsstufung für die Brenneranordnung vor. Damit ist es möglich, die Flammentemperatur leicht über den Umfang zu variieren, was die Ausbildung der typischerweise mit einem Umfangsmodenanteil auftretenden HFD Dynamics effektiv unterdrückt. Dabei ist wichtig, dass die
Stufung so ausgeführt ist, dass sie auf dem Umfang keine Re¬ gelmäßig der Art AABB (A und B sind Düsen oder Gruppen von Düsen mit gemeinsamer BrennstoffVersorgung) aufweist. Zusätzlich ist zu erwarten, dass die vorgeschlagene Stufung auch einen stabileren Betrieb der Brenneranordnung gegen Flammenverlust während der Belastung ermöglicht.
Zweckmäßigerweise umfasst die Brenneranordnung einen zentral angeordneten Pilotbrenner, um die Verbrennung des durch die Mischkanäle bereitgestellten Brennstoff-Luft-Gemischs zu sta¬ bilisieren . In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht eine Brennstoffstufe aus zumindest zwei Untergruppen, die wiederum aus mindestens zwei unmittelbar benachbarten Mischkanälen verschiedener Ringe bestehen. Durch die Bildung von Untergruppen stabilisieren sich die Flammen der jeweiligen
Mischkanäle gegenseitig im Betrieb. Insbesondere erfolgt eine Stabilisierung der Verbrennung der gesamten Brenneranordnung ausgehend vom zentralen Piloten, über einen inneren Ring an Mischkanälen weiter nach außen. Durch das Zusammenfassen von Untergruppen kann eine maßvolle Asymmetrie der Verteilung der Brennstoffzufuhr über den Umfang der Brenneranordnung erfolgen, ohne dass unnötig viele Brennstoffstufen definiert wer¬ den müssen, die dann doch nur gemeinsam, d.h. in Gruppen, betrieben werden. Die Belastung nachfolgender Bauteile bleibt dadurch vergleichsweise gleichmäßig und hochfrequente Schwin¬ gungen lassen sich so am besten einschränken.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn innerhalb einer Untergrup¬ pe eine Anzahl an Mischkanälen eines Rings nicht mehr als doppelt so hoch ist, wie eine Anzahl an Mischkanälen eines anderen Rings. Somit wird sichergestellt, dass ein Verhältnis der Anzahl der Mischkanäle der einzelnen Untergruppen über die gesamte Brenneranordnung sinnvoll verteilt ist, um über¬ all eine möglichst hohe Verbrennungsstabilität zu gewährleis- ten.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn zumindest bei einer Brenn¬ stoffstufe die Untergruppen eine voneinander verschiedene An¬ zahl an Mischkanälen aufweisen. Diese Asymmetrie trägt dazu bei, hochfrequente Verbrennungsschwingungen zu vermeiden.
Schließlich ist es zweckmäßig, wenn die Anzahl der Mischkanä¬ le einer Brennstoffstufe die Anzahl der Mischkanäle einer weiteren Brennstoffstufe nicht mehr als 50 % übersteigt, da- mit über die gesamte Brenneranordnung die Belastung nachfolgender Komponenten aufgrund von Anpassungen der Brennstoffzuteilung zu den einzelnen Brennstoffstufen zur Vermeidung von Verbrennungsschwingungen möglichst klein gehalten werden kann .
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Figur näher erläu- tert. Die Figur zeigt schematisch und nicht maßstäblich eine Brenneranordnung 1 mit mehreren sich parallel zur Hauptachse 2 der Brenneranordnung 1 erstreckenden und auf zwei konzentrischen Ringen 3 angeordneten Mischkanälen 4, in denen während des Betriebs der Brenneranordnung 1 Brennstoff und
Verdichterendluft gemischt werden. Gemäß der Erfindung sind die Mischkanäle 4 so in Brennstoffstufen 5, die in der Figur mit A und B gekennzeichnet sind, zusammengefasst , dass sich eine unregelmäßige Stufung in Umfangsrichtung 6 der Brenneranordnung 1 ergibt. Die Figur zeigt nur ein Beispiel, das Prinzip einer Brennstoffstufung über den Umfang lässt sich aber auf jede beliebige Anzahl von Mischkanälen 4 übertragen und es ist dabei unerheblich, ob es sich um eine gerade oder ungerade Anzahl von Mischkanälen 4 handelt. Auch die Anzahl der Ringe 3, auf denen die Mischkanäle 4 angeordnet sind, kann variieren. Grundsätzlich kann die Brenneranordnung 1 auch mehr als zwei vorgemischte Brennstoffstufen 5 (A und B) haben, allerdings ist dies aufgrund von Kostengesichtspunkten nicht sinnvoll. Im Ausführungsbeispiel der Figur ist gezeigt, dass die Misch¬ kanäle 4 der Brennstoffstufen 5, die mit A und B bezeichnet sind, ungleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Dabei bil¬ den immer mindestens zwei benachbarte Mischkanäle 4 aus dem inneren und dem äußeren Ring 3 eine Untergruppe 8 der
jeweiligen Brennstoffstufe 5 (A oder B) . Diese beiden Mischkanäle 4 werden durch zusätzliche Mischkanäle 4 des inneren und/oder äußeren Rings 3 ergänzt, wobei die Untergruppen 8 nicht deutlich mehr Mischkanäle 4 aus einem Ring 3 beinhal¬ ten .
Eine Brennstoffstufe 5 kann aus zwei, drei oder mehr Unter¬ gruppen 8 mit unterschiedlicher Anzahl an Mischkanälen 4 be- stehen, im Beispiel der Figur sind es zwei Untergruppen 8 je Brennstoffstufe 5.
Weiter zeigt die Figur, dass nicht alle Untergruppen 8 die gleiche Anzahl an Mischkanälen 4 aufweisen, was im Hinblick auf die zu erzielende Unregelmäßigkeit als vorteilhaft ange¬ sehen wird.
Unregelmäßigkeiten im Hinblick auf Anordnung bzw. Anzahl der Mischkanäle sind erwünscht, sollen aber nicht maximiert wer¬ den. Insbesondere ist darauf zu achten, dass die Brennstoff¬ stufen 5 eine möglichst gleiche Anzahl an Mischkanälen 4 haben, um eine stabile Verbrennung bezüglich Flammenverlusts zu gewährleisten .

Claims

Patentansprüche
1. Brenneranordnung (1) mit mehreren sich parallel zur
Hauptachse (2) der Brenneranordnung (1) erstreckenden und auf mindestens zwei konzentrischen Ringen (3) angeordne¬ ten Mischkanälen (4), in denen während des Betriebs der Brenneranordnung (1) Brennstoff und Verdichterendluft ge¬ mischt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischka¬ näle (4) in Brennstoffstufen (5) zusammengefasst sind, wobei eine Brennstoffstufe (5) Mischkanäle (4) mit ge¬ meinsamer Brennstoff ersorgung umfasst, die im Betrieb gemeinsam angesteuert werden, und wobei sich eine, bezo¬ gen auf die geometrische Verteilung der den jeweiligen Brennstoffstufen (5) zugehörigen Mischkanäle (4), unre- gelmäßige Stufung in Umfangsrichtung (6) der Brenneranordnung (1) ergibt.
2. Brenneranordnung (1) nach Anspruch 1, weiter umfassend einen zentral angeordneten Pilotbrenner (6).
3. Brenneranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Brennstoffstufe (5) aus zumindest zwei Unter¬ gruppen (8) besteht, wobei eine Untergruppe (8) aus min¬ destens zwei unmittelbar benachbarten Mischkanälen (4) verschiedener Ringe (3) besteht.
4. Brenneranordnung (1) nach Anspruch 3, wobei innerhalb einer Untergruppe (8) eine Anzahl an Mischkanälen (4) eines Rings (3) nicht mehr als doppelt so hoch ist, wie eine Anzahl an Mischkanälen (4) eines anderen Rings (3) .
5. Brenneranordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei zumindest bei einer Brennstoffstufe (5) die Unter¬ gruppen (8) eine voneinander verschiedene Anzahl an
Mischkanälen (4) aufweisen.
6. Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Mischkanäle (4) einer Brennstoffstufe (5) die Anzahl der Mischkanäle (4) einer weiteren Brennstoffstufe (5) nicht mehr als 50 % über¬ steigt .
EP18706400.1A 2017-02-03 2018-01-25 Brenneranordnung mit einem umfangsstufungskonzept Active EP3563090B1 (de)

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