WO1998028574A2 - Brenner für fluidische brennstoffe, verfahren zum betrieb eines brenners und verwirbelungselement - Google Patents

Brenner für fluidische brennstoffe, verfahren zum betrieb eines brenners und verwirbelungselement Download PDF

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WO1998028574A2
WO1998028574A2 PCT/DE1997/002858 DE9702858W WO9828574A2 WO 1998028574 A2 WO1998028574 A2 WO 1998028574A2 DE 9702858 W DE9702858 W DE 9702858W WO 9828574 A2 WO9828574 A2 WO 9828574A2
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Stefan Hoffmann
Ingo Ganzmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F23D2900/00008—Burner assemblies with diffusion and premix modes, i.e. dual mode burners

Definitions

  • Burner for fluid fuels method for operating a burner and swirling element
  • the invention relates to a burner for fluid fuels, in particular for use in a gas turbine system, and to a method for operating a burner for fluid fuels, in particular used in a gas turbine system.
  • the invention also relates to a swirling element for generating a highly turbulent air flow.
  • a burner for fluid fuels as is used in particular in a gas turbine plant, is from the
  • the aim is to achieve a mixture of fuel and air that is as homogeneous as possible in order to achieve low-nitrogen oxide combustion.
  • the lowest possible nitrogen oxide production is an essential requirement for combustion, in particular for combustion in the gas turbine system of a power plant, for reasons of environmental protection and corresponding legal guidelines for pollutant emissions.
  • the formation of nitrogen oxides increases exponentially with that
  • EP 561 591 A2 discloses a rotary grid for generating a turbulent flow for use in a burner, in particular in a premix burner of a gas turbine.
  • the rotating grid is used to generate two concentric, counter-rotating flows, so that in the inner flow during a partial load operation of the gas turbine system, a reduced fuel is burned tightly in an amount of air reduced by the division into two flows and thus maintain a stable combustion even in part load operation can be.
  • the rotating grid generates backflow areas directly adjacent to the rotating grid, which represent combustion areas for stable combustion.
  • EP 619 134 AI discloses a mixing chamber for mixing substances, e.g. in chemistry, food or pharmaceutical production.
  • the substances to be mixed are swirled in separate channels by a vortex generator and then brought together.
  • the vortex generator is formed by deflection elements designed as elongated half-pyramids.
  • DE 44 15 916 AI describes a method and an apparatus for the combustion of a flowable fuel, in particular in the burner of a gas turbine.
  • a turbulence-generating arrangement is used in the air duct of the burner, so that combustion air is swirled. Fuel is let into the swirled combustion air, so that a particularly good mixing of fuel and combustion air results.
  • the swirling is achieved by a number of obtuse flow obstacles, in particular by rods or disks.
  • a swirling element referred to as a static mixer is known from DE 41 23 161 AI. It has a large number of deflection elements which are small in relation to the diameter of a pipeline or a flow channel in which or in which it can be used and which are inclined with respect to the axis of the flow channel or the pipeline.
  • the inclination of the deflection elements aligned in rows is in the same direction within one row and in opposite directions from row to row.
  • a swirling element covers a simply coherent surface, e.g. B. a circular or rectangular cross section. It serves to swirl a flow of a medium through the pipeline or the flow channel, as a result of which thorough mixing with a substance introduced into the medium can be achieved.
  • large interlacing elements are also described in EP 0 634 207 B1 and in WO 95/26226 AI.
  • the main area of application of such swirling elements is the nitrogen oxide reduction of flue gas by the addition of ammonia in flow channels of typically a few square meters in cross-sectional area.
  • the object which is directed to the burner, is achieved according to the invention by a burner for fluid fuels, in particular for use in a gas turbine system, with an air duct for the supply of combustion air and a fuel duct for the supply of combustion Substance, wherein a swirling element for generating highly turbulent combustion air and an inlet of fuel from the fuel channel into the air channel are provided downstream of the swirling element and wherein the swirling element is designed such that the pressure loss resulting from the swirling element is less than 5%, in particular is less than 2%.
  • An important advantage of the invention is that a particularly good mixture of combustion air and fuel can be achieved by the turbulent flow of the combustion air, while at the same time a pressure loss caused by the swirling element is low.
  • the mixture of fuel and combustion air in the turbulent flow improves the spatial homogeneity of the mixture.
  • the fluctuation in the mixing ratio over time was determined for the first time in extensive tests. Locally occurring temporal fluctuations in the mixing ratio, like the spatial inhomogeneities, lead to a distribution of the flame temperature with the above-mentioned adverse effects on the nitrogen oxide emission. The results of the tests showed that the fuel / air mixture produced shows little variation over time in the mixing ratio. A spatially and temporally largely homogeneous mixture of fuel and air and thus a reduced nitrogen oxide production is achieved.
  • the burner's efficiency remains almost unaffected by the low pressure drop. This represents a significant improvement over previously used swirling elements, which were designed as obtuse flow obstacles. Such flow obstacles result in a considerable pressure loss, so that an improved mixture of fuel and combustion air had to be bought due to a significantly reduced burner efficiency.
  • the fuel is admitted downstream of the swirling element. This means that only combustion air flows through the swirling element and the risk of burning in the region of the swirling element, which could damage it, is reduced.
  • the swirling element is preferably designed such that the turbulent flow of the combustion air generated at the swirling element has essentially no areas of returning combustion air. This ensures that no ignitable fuel-air mixture can flow back to the swirling element and thus no combustion on the swirling element is stabilized, which could result in damage to the swirling element.
  • the swirling element is designed such that the turbulent flow of the combustion air that can be generated has vortices with a diameter approximately comparable to the width of the air duct, in particular with a diameter of 20-80% of the width of the air duct .
  • This configuration ensures that the area of the fuel inlet can be completely covered by a vortex and that the turbulent flow extends beyond the area of the fuel inlet, so that a mixture both in the vortex at the fuel inlet and in the turbulent flow behind the Fuel is admitted with the effect of a particularly intensive mixing.
  • the burner is preferably designed such that swirl vanes are arranged in the air duct on the outflow side of the swirling element. It is hereby achieved that a swirl element with the advantageous effects described above on the homogeneity of the mixture of fuel and combustion air in combination with swirl blades is set, which have a favorable effect on the stability of the combustion.
  • At least one of the swirl blades is preferably designed as a hollow blade from which fuel can be admitted.
  • This configuration makes it possible to use a uniform injection of fuel from a swirl vane designed as a hollow vane with a further homogenizing effect on the fuel / air mixture in combination with the advantages explained above.
  • the burner as a premix or hybrid burner for use in gas turbine plants, with an air supply duct, in particular a tapering ring duct, which encloses at least three further ring ducts, in particular concentrically arranged with the air supply duct, for supplying fluidic media, two of which Channels serve to supply a pilot burner and the pilot burner can be used to generate a pilot flame for maintaining the combustion.
  • an air supply duct in particular a tapering ring duct, which encloses at least three further ring ducts, in particular concentrically arranged with the air supply duct, for supplying fluidic media, two of which Channels serve to supply a pilot burner and the pilot burner can be used to generate a pilot flame for maintaining the combustion.
  • a burner is preferred in which the swirling element has: a) a first delimitation ring with an axis of symmetry, b) a second, larger delimitation ring (53), the center of which lies on the axis of symmetry, c) a connecting surface through the two delimitation rings is stretched, d) along circles lying on the connecting surface, the respective center point of which lies on the axis of symmetry
  • a burner with such a swirling element has a particularly low pressure loss caused by the swirling element.
  • the swirling element is suitable for use in an annular flow channel. net. At least two, preferably three, circles are provided.
  • the connecting area is preferably less than half of the circular area enclosed by the larger limiting ring.
  • the diameter of the larger limiting ring is furthermore preferably less than one meter, in particular 40 cm to 60 cm. This makes the swirling element suitable for use in small flow channels, e.g. Air ducts of gas turbine burners, suitable.
  • the deflection elements assigned to a circle are equally spaced from one another. This results in a uniform swirling over the entire connection surface.
  • each deflecting element tapers from the connecting surface to a tear-off edge for generating eddies. It preferably has an approximately trapezoidal or triangular shape. A particularly intensive swirling is achieved by this configuration.
  • the deflection elements assigned to a respective circle are preferably inclined in the same direction. Deflection elements arranged on adjacent circles are preferably inclined in opposite directions. This arrangement of the deflection elements has the effect that, in addition to the locally good mixing by the swirling, homogenization takes place over larger areas of the flow.
  • the object relating to the method is achieved by specifying a method for operating a burner for fluid fuels, in particular for use in a gas turbine system, combustion air in an air duct and fuel in a fuel duct being fed to the combustion, the Combustion air in the air duct through a transfer into a strong turbulent flow with a pressure loss of less than 5%, in particular less than 2%, and then fuel is admitted from the fuel channel into the swirled combustion air, so that a swirled fuel-air mixture results.
  • the object directed to a swirling element is achieved by a swirling element which has: a) a first limiting ring with an axis of symmetry, b) a second, larger limiting ring (53), the center of which lies on the axis of symmetry, c) a connecting surface through the two limiting rings are stretched, d) along at least three circles lying on the connecting surface, the respective center point of which lies on the axis of symmetry, a multiplicity of flat deflection elements, each of which is inclined against a normal of the connecting surface.
  • FIG. 1 shows a hybrid burner 1 which is approximately rotationally symmetrical with respect to an axis 12.
  • a pilot burner 9 directed along the axis 12 with a fuel supply channel 8 and an air supply ring channel 7 concentrically surrounding it is surrounded concentrically by a fuel ring channel 3.
  • This fuel ring channel 3 is at the bottom, i.e. partially concentrically enclosed by an air supply ring channel 2.
  • a ring of swirl blades 5 is installed - shown schematically. At least one of these swirl blades 5 is designed as a hollow blade 5a. It has an inlet 6 formed by a plurality of openings for a fuel supply.
  • the fuel ring channel 3 opens into this hollow blade 5a.
  • a swirling element 4 - shown schematically - is installed in the air duct 2.
  • the hybrid burner 1 can be operated as a diffusion burner via the pilot burner 9. Usually, however, it is used as a premix burner, which means that fuel and air are first mixed and then fed to the combustion.
  • the pilot burner 9 serves to maintain a pilot flame which stabilizes the combustion during the premix burner operation with a possibly changing fuel-air ratio.
  • combustion air 10 and fuel 11 are mixed in the air duct 2 and then fed to the combustion.
  • the fuel 11 is conducted from the fuel channel 3 into a hollow blade 5a of the swirl blade ring 5 and from there is introduced into the combustion air 10 in the air channel 2 via the inlet 6.
  • FIG. 2 A top view of a swirling element 4 is shown in FIG. 2.
  • Fig. 3 shows the same swirling element 4 with the same reference numerals in a side view.
  • a plurality of webs 54 lead from an inner limiting ring 52, distributed uniformly over the circumference of the ring, to an outer limiting ring 53.
  • the center of the outer limiting ring 53 lies on the axis of symmetry 59 of the inner limiting ring 52 and the webs 54 are normal to the inner beings - Direction ring 52 directed.
  • the connecting surface 56 represents the outer surface of a truncated cone between the inner limiting ring 52 and the outer limiting ring 53.
  • Trapezoidal, flat deflecting elements 51 pointing into the interior of the truncated cone are arranged on each web 54.
  • the wide side 51a of each deflection element 51 is connected to a web 4.
  • the deflection elements 51 are arranged along three circles 55a, 55b, 55c which are concentric to the axis of symmetry 59 and are equally spaced from one another.
  • the deflection element 51 is inclined against a normal of the connecting surface 56, the deflection elements 51 along a circle 55a,
  • the inclination of the deflection elements 51 also characterizes the main flow secondary flows 58, which are in addition to the locally good ones
  • Mixing of the swirling enables the mixture to be homogenized over the entire cross-sectional area of an air supply ring channel in which the swirling element is installed (see FIG. 1).
  • the design of the swirling element 4 also has the result that the pressure loss caused by the swirling is low.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner (1), insbesondere für eine Gasturbine, bei dem Verbrennungsluft (10) durch ein Verwirbelungselement (4) verwirbelt und in die verwirbelte Verbrennungsluft (10) Brennstoff (11) eingelassen wird. Gleichzeitig ist der durch das Verwirbelungselement (4) entstehende Druckverlust niedrig. Es wird eine geringe NOx-Emission bei nahezu gleichem Wirkungsgrad erreicht.

Description

Beschreibung
Brenner für fluidische Brennstoffe, Verfahren zum Betrieb eines Brenners und Verwirbelungselement
Die Erfindung betrifft einen Brenner für fluidische Brennstoffe, insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbinenanlage, sowie ein Verfahren für den Betrieb eines insbesondere in einer Gasturbinenanlage eingesetzten Brenners für fluidi- sehe Brennstoffe. Die Erfindung betrifft auch ein Verwirbelungselement zur Erzeugung einer stark turbulenten Luftströmung.
Ein Brenner für fluidische Brennstoffe, wie er insbesondere in einer Gasturbinenanlage eingesetzt wird, ist aus der
DE 43 12 810 AI bekannt. Hieraus geht hervor, daß Luft durch ein Luftzufuhr-Ringkanalsystem und Brennstoff durch ein weiteres RingkanalSystem der Verbrennung zugeführt werden. Dabei wird Brennstoff aus dem Brennstoffkanal in den Luftkanal ein- gedüst, entweder direkt oder aus als Hohlschaufeln ausgebildeten Drallschaufeln.
Damit soll unter anderem eine möglichst homogene Mischung von Brennstoff und Luft erreicht werden, um eine stickoxidarme Verbrennung zu erzielen. Eine möglichst geringe Stickoxidproduktion ist aus Gründen des Umweltschutzes und entsprechenden gesetzlichen Richtlinien für Schadstoffemissionen eine wesentliche Anforderung an die Verbrennung, insbesondere an die Verbrennung in der Gasturbinenanlage eines Kraftwerks . Die Bildung von Stickoxiden erhöht sich exponentiell mit der
Flammentemperatur der Verbrennung. Bei einer inhomogenen Mischung von Brennstoff und Luft ergibt sich eine bestimmte Verteilung der Flammentemperaturen im Verbrennungsbereich. Die Maximaltemperaturen einer solchen Verteilung bestimmen nach dem genannten exponentiellen Zusammenhang von Stickoxidbildung und Flammentemperatur maßgeblich die Menge der gebildeten Stickoxide. Die Verbrennung eines homogenen Brennstoff- Luft-Gemisch erzielt demnach bei gleicher mittlerer Flammentemperatur einen niedrigeren Stickoxidausstoß als die Verbrennung eines inhomogenen Gemisches . Bei der Brennerausführung der zitierten Druckschrift wird eine räumlich gute Mi- schung von Luft und Brennstoff erzielt.
In der EP 561 591 A2 ist ein Rotationsgitter zur Erzeugung einer turbulenten Strömung für einen Einsatz in einem Brenner, insbesondere in einem Vormischbrenner einer Gasturbine, offenbart. Das Rotationsgitter dient dazu, zwei konzentrische, gegensinnig rotierende Strömungen zu erzeugen, so daß in der inneren Strömung während eines Teillastbetriebes der Gasturbinenanlage eine reduzierte Brennstoff enge in einer durch die Aufteilung in zwei Strömungen reduzierten Luftmenge verbrannt und somit auch im Teillastbetrieb eine stabile Verbrennung aufrecht erhalten werden kann. Weiterhin erzeugt das Rotationsgitter direkt an das Rotationsgitter angrenzende Rückströmgebiete, die Verbrennungsgebiete für eine stabile Verbrennung darstellen.
Die EP 619 134 AI offenbart eine Mischkammer zur Mischung von Stoffen, z.B. in der Chemie, Nahrungsmittel- oder Pharmapro- duktion. Die zu mischenden Stoffe werden in getrennten Kanälen durch einen Wirbelgenerator verwirbelt und dann zusammen- geführt. Der Wirbelgenerator wird durch als längliche Halbpyramiden ausgebildete Auslenkelemente gebildet.
In der DE 44 15 916 AI sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung eines fließfähigen Brennstoffes, insbe- sondere im Brenner einer Gasturbine, beschrieben. Im Luftkanal des Brenners wird eine turbulenzerzeugende Anordnung eingesetzt, so daß Verbrennungsluft verwirbelt wird. In die verwirbelte Verbrennungsluft wird Brennstoff eingelassen, so daß sich eine besonders gute Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft ergibt. Die Verwirbelung wird durch eine Anzahl stumpfer Strömungshindernisse erzielt, insbesondere durch Stäbe oder Scheiben. Ein als statischer Mischer bezeichnetes Verwirbelungselement ist aus der DE 41 23 161 AI bekannt. Es weist eine Vielzahl von in Bezug zum Durchmesser einer Rohrleitung oder eines Strömungskanals, in der oder den es einsetzbar ist, kleinen Auslenkelementen auf, die gegenüber der Achse des Strömungskanals oder der Rohrleitung geneigt sind. Die Neigung der in Reihen ausgerichteten Auslenkelemente ist innerhalb einer Reihe gleichsinnig und von Reihe zu Reihe gegensinnig. Ein solches Verwirbelungselement überdeckt eine einfach zusammenhängende Fläche, z. B. einen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt. Es dient dazu, eine Strömung eines Mediums durch die Rohrleitung oder den Strömungskanal zu verwirbeln, wodurch eine gute Durchmischung mit einem in das Medium einge- brachten Stoff erreichbar ist. Vergleichbare, große Verwirbe- lungselemente sind auch in der EP 0 634 207 Bl und in der WO 95/26226 AI beschrieben. Das Haupteinsatzgebiet solcher Verwirbelungselemente ist die Stickoxidminderung von Rauchgas durch die Beimischung von Ammoniak in Strömungskanälen von typischerweise einigen Quadratmetern Querschnittsflache.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner für fluidische Brennstoffe bereitzustellen, der eine gute Mischung von Ver- brennungsluft und Brennstoff bei gleichzeitig allenfalls geringfügiger Beeinträchtigung anderer Parameter der Verbrennung. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners für fluidische Brennstoffe anzugeben. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein Verwirbelungsele- ment zur Erzeugung einer stark turbulenten Luftströmung anzugegeben .
Die Lösung der Aufgabe, die auf den Brenner gerichtet ist, erfolgt erfindungsgemäß durch einen Brenner für fluidische Brennstoffe, insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbinenanlage, mit einem Luftkanal für die Zufuhr von Verbren- nungsluft und einem Brennstoffkanal für die Zufuhr von Brenn- Stoff, wobei ein Verwirbelungselement zur Erzeugung von stark turbulenter Verbrennungsluft und ein Einlaß von Brennstoff aus dem Brennstoffkanal in den Luftkanal abströmseitig vom Verwirbelungselement vorgesehen sind und wobei das Verwirbe- lungselement so ausgebildet ist, daß der durch das Verwirbelungselement entstehende Druckverlust kleiner als 5%, insbesondere kleiner als 2%, ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß durch die turbulente Strömung der Verbrennungsluft eine besonders gute Mischung von Verbrennungsluft und Brennstoff erreichbar ist, wobei gleichzeitig ein durch das Verwirbelungselement hervorgerufener Druckverlust gering ist. Es wird durch die Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft in der turbulen- ten Strömung eine verbesserte räumliche Homogenität des Gemisches erzielt. Darüber hinaus wurde erstmalig die zeitliche Schwankung des Mischungsverhältnisses in umfangreichen Versuchen ermittelt . Lokal auftretende zeitliche Schwankungen des Mischungsverhältnisses führen, wie auch die räumlichen Inho- mogenitäten, zu einer Verteilung der Flammentemperatur mit den oben ausgeführten nachteiligen Wirkungen auf die Stickoxidemission. Die Ergebnisse der Versuche zeigten, daß die erzeugte Brennstoff/Luft-Mischung eine geringe zeitliche Schwankung im Mischungsverhältnis aufweist. Es wird also eine räumlich und zeitlich weitgehend homogene Mischung von Brennstoff und Luft und damit eine reduzierte Stickoxidproduktion erreicht. Durch den gleichzeitig nur geringen Druckverlust bleibt der Wirkungsgrad des Brenners nahezu unbeeinträchtigt . Dies stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber bisher verwendeten Verwirbelungselementen dar, die als stumpfe Strömungshindernisse ausgeführt waren. Solche Strömungshinder- nisse haben einen erheblichen Druckverlust zur Folge, so daß eine verbesserte Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft durch einen deutlich verminderten Wirkungsgrad des Brenners erkauft werden mußte. Zur Vermeidung einer Flammenstabilisierung am Verwirbelungselement erfolgt der Einlaß des Brennstoffs abströmseitig vom Verwirbelungselement. Damit wird das Verwirbelungselement nur von Verbrennungsluft durchströmt, und die Gefahr einer Ver- brennung im Bereich des Verwirbelungselementes , die dieses beschädigen könnte, ist reduziert.
Vorzugsweise wird das Verwirbelungselement so ausgebildet, daß die erzeugte turbulente Strömung der Verbrennungsluf am Verwirbelungselement im wesentlichen keine Gebiete zurückströmender Verbrennungsluft aufweist. Damit wird erreicht, daß kein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch zum Verwirbelungselement zurückströmen kann und damit keine Verbrennung am Verwirbelungselement stabilisiert wird, die eine Beschädi- gung des Verwirbelungselementes zur Folge haben könnte.
Weiterhin bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der das Verwirbelungselement so ausgebildet ist, daß die erzeugbare turbulente Strömung der Verbrennungsluft Wirbel mit einem Durch- messer etwa vergleichbar mit der Breite des Luftkanals, insbesondere mit einem Durchmesser von 20-80% der Breite des Luftkanals, aufweist. Über diese Ausgestaltung wird erreicht, daß der Bereich des Brennstoffeinlaßes vollständig von einem Wirbel überdeckt werden kann und das sich die turbulente Strömung über den Bereich des Brennstoffeinlaßes hinaus erstreckt, sodaß eine Mischung sowohl im Wirbel am Brennstoff- einlaß als auch in der turbulenten Strömung hinter dem Brennstoffeinlaß erfolgt, mit der Wirkung einer besonders intensiven Durchmischung.
Bevorzugtermaßen ist der Brenner so ausgestaltet, daß abströmseitig vom Verwirbelungselement Drallschaufeln im Luft- kanal angeordnet sind. Hierdurch wird erreicht, daß ein Verwirbelungselement mit den oben beschriebenen vorteilhaften Auswirkungen auf die Homogenität der Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft in Verbindung mit Drallschaufeln einge- setzt wird, die günstig auf die Stabilität der Verbrennung einwirken.
Vorzugsweise ist zumindest eine der Drallschaufeln als Hohl- schaufei ausgebildet, aus der Brennstoff einlaßbar ist. Über diese Ausgestaltung ist es möglich, eine gleichmäßige Ein- düsung von Brennstoff aus einer als Hohlschaufel ausgebildeten Drallschaufel mit einer weiter homogenisierenden Wirkung auf das Brennstoff/Luft-Gemisch in Kombination mit den oben erläuterten Vorteilen zu nutzen.
Weiterhin bevorzugt ist die Ausbildung des Brenners als ein Vormisch- oder Hybridbrenner für den Einsatz in Gasturbinenanlagen, mit einem Luftzufuhrkanal, insbesondere ein sich verjüngender Ringkanal, welcher mindestens drei weitere, insbesondere konzentrisch zum Luftzufuhrkanal angeordnete Ringkanäle zur Zuführung von fluidischen Medien umschließt, wobei zwei dieser Kanäle zur Versorgung eines Pilotbrenners dienen und wobei durch den Pilotbrenner eine Pilotflamme zur Auf- rechterhaltung der Verbrennung erzeugbar ist.
Bevorzugt ist ein Brenner, bei dem das Verwirbelungselement aufweist : a) einen ersten Begrenzungsring mit einer Symmetrieachse, b) einen zweiten, größeren Begrenzungsring (53) , dessen Mittelpunkt auf der Symmetrieachse liegt, c) eine Verbindungsfläche, die durch die beiden Begrenzungs- ringe aufgespannt ist, d) entlang auf der Verbindungsflache liegender Kreise, deren jeweiliger Mittelpunkt auf der Symmetrieachse liegt, eine
Vielzahl von flächigen Auslenkelementen, die jeweils gegen eine Normale der Verbindungsfläche geneigt sind.
Ein Brenner mit einem solchen Verwirbelungselement weist ei- nen besonders niedrigen, vom Verwirbelungselement hervorgerufenen Druckverlust auf. Zudem ist das Verwirbelungselement für einen Einsatz in einem ringförmigen Strömungskanal geeig- net. Es sind mindestens zwei, vorzugsweise drei Kreise vorgesehen.
Bevorzugtermaßen beträgt die Verbindungsflache weniger als die Hälfte der durch den größeren Begrenzungsring umschlossenen Kreisfläche. Weiterhin bevorzugt ist der Durchmesser des größeren Begrenzungsringes kleiner als ein Meter, insbesondere 40 cm bis 60 cm. Damit ist das Verwirbelungselement für den Einsatz in kleinen Strömungskanälen, wie z.B. Luftkanälen von Gasturbinenbrennern, geeignet.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung sind die einem Kreis zugeordneten Auslenkelemente untereinander gleich beabstandet . Damit wird eine über die ganze Verbindungsfl che gleichmäßige Verwirbelung erzielt.
Weiterhin bevorzugt ist, daß sich jedes Auslenkelement aus der Verbindungsflache zu einer Abrißkante zur Erzeugung von Wirbeln verjüngt. Vorzugsweise weist es etwa Trapez- oder Dreiecksform auf. Durch diese Ausgestaltung wird eine besonders intensive Verwirbelung erreicht .
Bevorzugtermaßen sind die einem jeweiligen Kreis zugeordneten Auslenkelemente gleichsinnig geneigt . Bevorzugt sind auf ein- ander benachbarten Kreisen angeordnete Auslenkelemente gegensinnig geneigt. Diese Anordnung der Auslenkelemente bewirkt, daß zusätzlich zur lokal guten Durchmischung durch die Verwirbelung eine Homogenisierung über größere Bereiche der Strömung erfolgt.
Die Lösung der das Verfahren betreffenden Aufgabe wird erfindungsgemäß erreicht durch die Angabe eines Verfahrens zum Betrieb eines Brenners für fluidische Brennstoffe, insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbinenanlage, wobei Verbren- nungsluft in einem Luftkanal und Brennstoff in einem Brennstoffkanal der Verbrennung zugeführt wird, wobei die Verbrennungsluft im Luftkanal durch eine Überführung in eine stark turbulente Strömung mit einem Druckverlust kleiner als 5%, insbesondere kleiner als 2% verwirbelt und anschließend Brennstoff aus dem Brennstoffkanal in die verwirbelte Verbrennungsluft eingelassen wird, so daß sich ein verwirbeltes Brennstoff -Luft -Gemisch ergibt.
Dieses Gemisch ist durch die Verwirbelung besonders homogen, was nach den einleitenden Ausführungen und nach den Darlegungen der Vorteile der den Brenner betreffenden Erfindung eine stickoxidarme Verbrennung zur Folge hat. Durch den geringen Druckverlust bleibt der Wirkungsgrad des Brenners im wesentlichen erhalten.
Erfindungsgemäß wird die auf ein Verwirbelungselement gerichtete Aufgabe gelöst durch ein Verwirbelungselement, welches aufweist: a) einen ersten Begrenzungsring mit einer Symmetrieachse, b) einen zweiten, größeren Begrenzungsring (53) , dessen Mittelpunkt auf der Symmetrieachse liegt, c) eine Verbindungsflache, die durch die beiden Begrenzungs- ringe aufgespannt ist, d) entlang mindestens dreier auf der Verbindungsflache liegender Kreise, deren jeweiliger Mittelpunkt auf der Symmetrieachse liegt, eine Vielzahl von flächigen Auslenkelementen, die jeweils gegen eine Normale der Verbindungsflache ge- neigt sind.
Die Vorteile eines solchen Verwirbelungselementes ergeben sich insbesondere bei einer Verwendung zur Verwirbelung von Verbrennungsluft in einem Brenner, entsprechend den obigen Ausführungen .
In der Zeichnung ist zur näheren Erläuterung ein Ausführungs- beispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig 1 einen Längsschnitt durch einen Hybridbrenner,
Fig 2 ein Verwirbelungselement in Aufsicht, Fig 3 ein Verwirbelungselement in Seitenansicht
Figur 1 zeigt einen Hybridbrenner 1, der in etwa rotations- symmetrisch bezüglich einer Achse 12 ist. Ein entlang der Achse 12 gerichteter Pilotbrenner 9 mit einem Brennstoff-Zufuhrkanal 8 und einem diesen konzentrisch umschließenden Luftzufuhr-Ringkanal 7 ist konzentrisch umgeben von einem Brennstoff-Ringkanal 3. Dieser Brennstoff-Ringkanal 3 ist un- ten, d.h. teilweise konzentrisch umschlossen von einem Luftzufuhr-Ringkanal 2. In diesem Luftzufuhr-Ringkanal 2 ist ein - schematisch dargestellter - Kranz von Drallschaufeln 5 eingebaut. Mindestens eine dieser Drallschaufeln 5 ist als Hohlschaufel 5a ausgebildet. Sie weist einen durch mehrere Öff- nungen gebildeten Einlaß 6 für eine BrennstoffZuführung auf. Der Brennstoff-Ringkanal 3 mündet in diese Hohlschaufel 5a. Zuströmseitig vom Drallschaufelkranz 5 ist ein - schematisch dargestelltes - Verwirbelungselement 4 im Luftkanal 2 eingebaut .
Der Hybridbrenner 1 kann über den Pilotbrenner 9 als Diffusi- onsbrenner betrieben werden. Üblicherweise wird er aber als Vormischbrenner eingesetzt, daß heißt Brennstoff und Luft werden erst gemischt und dann der Verbrennung zugeführt . Da- bei dient der Pilotbrenner 9 zur Aufrechterhaltung einer Pilotflamme, die die Verbrennung während des Vormischbrennerbe- triebes bei einem eventuell wechselnden Brennstoff-Luft-Verhältnis stabilisiert. Für die eigentliche Verbrennung werden Verbrennungsluft 10 und Brennstoff 11 im Luftkanal 2 gemischt und anschließend der Verbrennung zugeführt. Im gezeigten Aus- führungsbeispiel wird dabei der Brennstoff 11 aus dem Brennstoffkanal 3 in eine Hohlschaufel 5a des Drallschaufelkranzes 5 geleitet und von dort über den Einlaß 6 in die Verbrennungsluft 10 im Luftkanal 2 eingeleitet.
Wie bereits erläutert, kommt es für eine stickoxidarme Verbrennung wesentlich darauf an, eine möglichst homogene Mi- schung von Verbrennungsluft 10 und Brennstoff 11 zu erreichen. Dies wird durch das Verwirbelungselement 4 erreicht, das die Verbrennungsluft 10 in eine turbulente Strömung überführt. Der in die turbulente Verbrennungsluft 10 eingebrachte Brennstoff 11 wird durch die Verwirbelung besonders gut mit der Verbrennungsluft 10 vermischt. Es wird eine räumlich und zeitlich homogene Mischung von Verbrennungsluft 10 und Brennstoff 11 erreicht. Gleichzeitig ist der durch das Verwirbelungselement 4 hervorgerufene Druckverlust gering, wodurch der Wirkungsgrad des Brenners 1 kaum beeinträchtigt wird.
In Fig. 2 ist eine Aufsicht auf ein Verwirbelungselement 4 gezeigt. Fig. 3 zeigt mit gleichen Bezugszeichen das gleiche Verwirbelungselement 4 in einer Seitenansicht. Von einem in- neren Begrenzungsring 52 führen gleichverteilt über den Ringumfang eine Vielzahl von Stegen 54 zu einem äußeren Begrenzungsring 53. Der Mittelpunkt des äußeren Begrenzungsringes 53 liegt auf der Syrπrnmetrieachse 59 des inneren Begrenzungs- ringes 52 und die Stege 54 sind normal auf den inneren Be- grenzungsring 52 gerichtet. Die Verbindungsfläche 56 stellt die Mantelfläche eines Kegelstumpfes zwischen innerem Begrenzungsring 52 und äußerem Begrenzungsring 53 dar. An jedem Steg 54 sind in das Innere des Kegelstumpfes weisende, trapezförmige, ebene Auslenkelemente 51 angeordnet. Die breite Seite 51a jedes Auslenkelementes 51 ist mit einem Steg 4 verbunden. Die Auslenkelemente 51 sind entlang dreier, zur Symmetrieachse 59 konzentrischer Kreise 55a, 55b, 55c zueinander gleich beabstandet angeordnet. Die Auslenkelernente 51 sind gegen eine Normale der Verbindungsflache 56 geneigt, wobei jeweils die Auslenkelemente 51 entlang eines Kreises 55a,
55b, 55c gleichsinnig, von einem Kreis 55a, 55b, 55c zu einem benachbarten Kreis 55a, 55b, 55c gegensinnig geneigt sind.
Eine Durchströmung des Verwirbelungselementes 4 mit Verbrennungsluft 10, normal zur Verbindungsflache 56 in das Innere des Kegelstumpfes hat zur Folge, daß sich an den Schmalseiten 51b der Auslenkelemente 51 Wirbel 57 bilden. In das strömende Medium eingeleiteter Brennstoff 11 wird durch diese Verwirbelung intensiv mit der Verbrennungsluft 10 vermischt. Die Neigung der Auslenkelemente 51 prägt der Hauptströmung zudem Se- kundärStrömungen 58 auf, die zusätzlich zur lokal guten
Durchmischung der Verwirbelung eine Homogenisierung des Gemisches über die gesamte Querschnittsfläche eines Luftzufuhr- Ringkanals, in dem das Verwirbelungselement eingebaut ist (s. Fig 1) , ermöglichen. Die Ausgestaltung des Verwirbelungs- elementes 4 hat gleichzeitig zur Folge, daß der durch die Verwirbelung hervorgerufene Druckverlust gering ist.

Claims

Patentansprüche
1. Brenner (1) für fluidische Brennstoffe, insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbinenanlage, mit einem Luftkanal (2) für die Zufuhr von Verbrennungsluft (10) und einem Brenn- stoffkanal (3) für die Zufuhr von Brennstoff (11) , bei dem ein Verwirbelungselement (4) zur Erzeugung von stark turbulenter Verbrennungsluft (10) und ein Einlaß (6) von Brennstoff (11) aus dem Brennstoffkanal (3) in den Luftkanal (2) abströmseitig vom Verwirbelungselement (4) vorgesehen sind, wobei das Verwirbelungselement (4) so ausgebildet ist, daß der durch das Verwirbelungselement (4) entstehende Druckverlust kleiner als 5% ist.
2. Brenner (1) nach Anspruch 1, bei dem der durch das Verwirbelungselement (4) entstehende Druckverlust kleiner als 2% ist.
3. Brenner (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Verwirbelungselement (4) so ausgebildet ist, daß die erzeugbare turbulente Strömung der Verbrennungsluft (10) am Verwirbelungselement (4) im wesentlichen keine Gebiete zurückströmender Verbrennungsluft (10) aufweist.
4. Brenner (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Verwirbelungselement (4) so ausgebildet ist, daß die erzeugbare turbulente Strömung der Verbrennungsluft (10) Wirbel mit einem Durchmesser vergleichbar mit der Breite des Luftkanals (2) , insbesondere mit einem Durchmesser von 20% bis 80% der Breite des Luftkanals (2), aufweist.
5. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem abströmseitig vom Verwirbelungselement (4) Drall- schaufeln (5) im Luftkanal (2) angeordnet sind.
6. Brenner (1) nach Anspruch 5, bei dem zumindest eine der Drallschaufeln (5) als Hohlschau- fei (5a) ausgebildet ist, aus der Brennstoff (11) einlaßbar ist.
7. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der als ein Vormisch- oder Hybridbrenner für den Einsatz in einer Gasturbinenanlage ausgebildet ist, mit einem Luftzufuhrkanal (2) , insbesondere mit einem sich verjüngenden Ringkanal, welcher mindestens drei weitere, insbesondere konzentrisch zum Luftzufuhrkanal (2) angeordnete Ringkanäle zur Zu- führung von fluidischen Medien umschließt, wobei zwei dieser Kanäle zur Versorgung eines Pilotbrenners (9) dienen, und wobei durch den Pilotbrenner (9) eine Pilotflamme zur Aufrechterhaltung der Verbrennung erzeugbar ist.
8. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verwirbelungselement (4) aufweist: a) einen ersten Begrenzungsring (52) mit einer Symmetrieachse (59), b) einen zweiten, größeren Begrenzungsring (53) , dessen Mit- telpunkt auf der Symmetrieachse (59) liegt, c) eine Verbindungsfläche (56) , die durch die beiden Begrenzungsringe (52, 53) aufgespannt ist, d) entlang auf der Verbindungsfläche (56) liegender Kreise (55a, 55b, 55c) , deren jeweiliger Mittelpunkt auf der Symmetrieachse (59) liegt, eine Vielzahl von flächigen
Auslenkelementen (51) , die jeweils gegen eine Normale der Verbindungsfläche (6) geneigt sind.
9. Brenner (1) nach Anspruch 8, bei dem die Verbindungsfläche (56) des Verwirbelungselementes (4) weniger als die Hälfte der durch den größeren Begrenzungsring (53) umschlossenen Kreisfläche beträgt.
10. Brenner (1) nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Durchmesser des größeren Begrenzungsringes (53) des Verwirbelungselementes (4) kleiner ist als ein Meter, insbesondere 40 cm bis 60 cm beträgt.
11. Brenner (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die einem Kreis (55a, 55b, 55c) zugeordneten Auslenkelemente (51) des Verwirbelungselementes (4) untereinander gleich beabstandet sind.
12. Brenner (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei sich jedes Auslenkelement (51) des Verwirbelungselementes (4) aus der Verbindungsfläche (56) zu einer Abrißkante (51b) zur Erzeugung von Wirbeln (57) verjüngt, wobei es ins- besondere eine etwa Trapez- oder Dreiecksform aufweist.
13. Brenner (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die einem Kreis (55a, 55b, 55c) zugeordneten Auslenkelemente (51) des Verwirbelungselementes (4) gleichsinnig ge- neigt sind.
14. Brenner (1) nach Anspruch 13, wobei auf einander benachbarten Kreisen (55a, 55b, 55c) des Verwirbelungselementes (4) angeordnete Auslenkelemente (51) gegensinnig geneigt sind.
15. Verfahren zum Betrieb eines Brenners (1) für fluidische Brennstoffe, insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbinenanlage, wobei Verbrennungsluft (10) in einem Luftkanal (2) und Brennstoff (11) in einem Brennstoffkanal (3) der Verbrennung zugeführt werden, wobei die Verbrennungsluft (10) im Luftkanal (2) durch Überführung in eine stark turbulente Strömung mit einem Druckverlust kleiner als 5%, insbesondere kleiner als 2%, verwirbelt und anschließend Brennstoff (11) aus dem Brennstoffkanal (3) in die verwirbelte Verbrennungsluft (10) eingelassen wird, so daß sich ein verwirbeltes Brennstoff/Luft-Gemisch ergibt.
16. Verwirbelungselement (4), das aufweist: a) einen ersten Begrenzungsring (52) mit einer Symmetrieachse (59), b) einen zweiten, größeren Begrenzungsring (53) , dessen Mittelpunkt auf der Symmetrieachse (59) liegt, c) eine Verbindungsflache (56) , die durch die beiden Begren- zungsringe (52, 53) aufgespannt ist, d) entlang mindestens dreier auf der Verbindungsflache (56) liegender Kreise (55a, 55b, 55c) , deren jeweiliger Mittelpunkt auf der Symmetrieachse (59) liegt, eine Vielzahl von flächigen Auslenkelementen (51) , die jeweils gegen eine Normale der Verbindungsfläche (6) geneigt sind.
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