WO1999006767A1 - Brenner - Google Patents

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WO1999006767A1
WO1999006767A1 PCT/DE1998/002038 DE9802038W WO9906767A1 WO 1999006767 A1 WO1999006767 A1 WO 1999006767A1 DE 9802038 W DE9802038 W DE 9802038W WO 9906767 A1 WO9906767 A1 WO 9906767A1
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mouth
burner
fuel gas
edge
gas supply
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PCT/DE1998/002038
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Inventor
Bernard Becker
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2206/00—Burners for specific applications
    • F23D2206/10—Turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00008—Burner assemblies with diffusion and premix modes, i.e. dual mode burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention relates to a burner, in particular a burner for a gas turbine, with a combustion chamber into which a fuel gas supply channel opens, the channel wall of the fuel gas supply channel having a mouth edge at the mouth.
  • the active damping of the combustion oscillation is achieved in that an actuator (eg a piezo actuator) modulates the amount of fuel supplied to the burner per unit of time.
  • a microphone records the acoustic vibrations in the combustion chamber, and a control signal for regulating the amount of fuel supplied per unit of time is derived from the microphone signal in such a way that the amount of fuel supplied is modulated countercyclically to the combustion oscillation.
  • This active damping of the combustion vibration requires a considerable amount of equipment.
  • the invention is based on the consideration that less expenditure on equipment can be achieved by designing the geometry of the burner in such a way that there is less tendency to form the combustion oscillation. This procedure can be described as passive damping of the combustion vibration.
  • the object of the invention is therefore to provide a burner of the type mentioned in the introduction in which passive damping of the combustion oscillation is achieved.
  • this object is achieved by a burner, in particular for a gas turbine, which is characterized in that the mouth edge is irregular.
  • a combustion gas duct opens into a combustion chamber.
  • the fuel gas channel has a cross-sectional area which is delimited by an opening edge of the fuel gas channel.
  • the edge of the mouth thus surrounds the cross section of the fuel gas channel.
  • the mouth edge can also be an inner ring of a ring channel, for example.
  • the mouth edge is not formed by the edge of an opening in a plate which is arranged in front of the fuel gas channel.
  • no burner plates are meant with a plurality of openings.
  • the fuel gas supply channel can have a mouth edge which has “tongues” of different lengths and / or “notches” of different depths, which is therefore “frayed”.
  • “Irregular” also means that the channel wall opens into the combustion chamber at different angles along the circumference of the mouth, that is to say it is “dented” or “dented”. The edge accordingly has a non-rotationally symmetrical contour, as seen in the circumferential direction. The "frayed" and / or the
  • “Dented” training or training of the mouth edge can or can be carried out periodically or non-periodically on the circumference.
  • the flow channel through which the fuel gas air flows through a swirl grille into the combustion chamber, is usually designed to be rotationally symmetrical. This makes the design and manufacture easy.
  • flame vibrations particularly in the case of premix burners, which are favored by this design.
  • a known mechanism that generates such vibrations is vortex formation in zones with high speed gradients.
  • periodic ring vortices are formed which contain a mixture of air and fuel and which ignite spontaneously after a certain period of time. They generate periodic pressure pulses, which in turn lead to the formation of waves and eddies in the shear flow.
  • the mouth edge represents a tear-off edge for vortices for a mixture flowing through the fuel supply channel.
  • the invention is now based on the finding that a uniform vortex field is detached from a mouth edge that is regularly formed.
  • a vortex field represents one uniform pressure and density distributions of the mixture of fuel gas and fuel, which extend over the entire mouth rim. If such a mixture ignites spontaneously, a large-area pressure pulse occurs. Interaction with other vortices that periodically detach from the mouth edge can then lead to the formation of a combustion oscillation.
  • the irregularly designed mouth rim mentioned here has the consequence that vortices that detach along this mouth rim do not form a uniform vortex field.
  • the invention is not limited to burners for gas turbines, but can also be used advantageously in other burners.
  • the mouth edge spans a mouth surface that is not flat.
  • vortices detaching from the mouth edge do not lie in one plane.
  • the result of this is that there is no uniform pressure or density distribution of the mixture in one plane.
  • the execution of the mouth rim which was described above with the term "frayed”, rather leads to the fact that an uneven, distorted vortex field is formed.
  • the speed and mixture distribution in the mixture is also uneven. According to the above statements, the formation of the combustion oscillation is suppressed due to the eddy formation.
  • the fuel gas supply channel opens into the combustion chamber under an opening direction
  • each longitudinal section through the channel wall of the mouth edge has a mouth tangent, which is directed to the mouth direction at a mouth angle, which mouth angle changes along the mouth edge.
  • the fuel gas supply channel opens into the combustion chamber under a predetermined opening direction. It is preferably provided that in each longitudinal section through the channel wall the mouth edge has a mouth tangent which is directed towards the mouth direction at an angle of the mouth which changes along the edge of the mouth.
  • the opening angle can also be zero, which means that the channel wall opens parallel to the opening direction at this point.
  • the angle can also be negative, so that the channel wall is curved toward the center of the channel at such a point.
  • the direction of the mouth is the straight extension of the center line of the duct at the mouth.
  • the direction of the mouth is the straight extension of a respective longitudinal section through the channel center surface.
  • the angle at which the channel wall adjoins the combustion chamber changes along the edge of the mouth. This was also referred to above as the "dented" rim of the mouth.
  • Such a configuration releases vortices in different directions and intensities from the mouth edge. This in turn means that no uniform vortex field is formed. According to the above statements, this has the consequence that there is no uniform pressure or density distribution of the fuel gas / fuel mixture along the edge of the mouth. This has the suppressive effect already explained with regard to the formation of the combustion oscillation.
  • the channel wall is further preferably designed such that a fuel gas flowing through the fuel gas supply channel at each point has a flow direction in the vicinity of the mouth edge approximately parallel to the nearest mouth tangent.
  • the edge of the mouth preferably has a battlement shape or a triangularly jagged shape.
  • a deflecting means preferably projects as part of the duct wall into the fuel gas supply duct, an outer edge of the deflecting means being part of the mouth edge.
  • the burner is preferably designed as a hybrid burner for a gas turbine.
  • FIG. 1 shows a schematic, perspective illustration of a burner according to the prior art
  • FIG. 2 shows the fuel gas supply channel corresponding to FIG. 1 in a perspective view
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through the fuel gas supply duct from FIG. 2, IG 4 a fuel gas supply channel with an irregularly shaped (“frayed”) mouth edge according to the invention
  • IG 5 is a plan view of the mouth of a fuel gas supply channel with an irregularly shaped ("indented") mouth edge according to the invention
  • IG 6 shows a longitudinal section through the fuel gas supply channel from FIG. 4,
  • IG 7 shows a longitudinal section through a hybrid burner for a gas turbine according to the invention
  • IG 8 is a top view of the mouth of the hybrid burner from FIG. 7.
  • a burner 1 is shown schematically and in perspective in FIG.
  • a fuel gas supply duct 4 for fuel gas G in this case for air, opens out at a mouth 3.
  • the fuel gas supply channel 4 has a cross-sectional area 7A.
  • the channel wall 5 of the fuel gas supply channel 4 has a mouth edge 6.
  • the mouth edge 6 delimits a circular, flat mouth surface 7 and also limits the cross-sectional area 7A.
  • a pilot burner 9 is installed in the combustion chamber 2. This points a separate fuel gas supply line 10 for fuel gas H, in this case air, and a separate fuel supply line 11 for fuel S, in this case a combustible gas.
  • An exhaust duct 8 leads away from the combustion chamber 2.
  • the fuel gas G e.g. air in this case
  • the fuel B e.g. Petroleum
  • a fuel / fuel gas mixture B / G is thereby fed to the combustion chamber 2 via the fuel gas supply channel 4.
  • a pilot flame 14 is maintained on the pilot burner 9.
  • the fuel / fuel gas mixture B / G emerging from the fuel gas supply channel 4 ignites on this pilot flame 14.
  • the exhaust gas A formed during the combustion is discharged through the exhaust gas duct 8.
  • vortices 33 detach from the mouth edge 6 of the fuel gas supply channel 4. This is explained in more detail with reference to FIG. 2.
  • FIG. 2 shows the fuel gas supply channel 4 from FIG. 1.
  • the mouth edge 6 of the fuel gas supply channel 4 represents a tear-off edge for vortices 33 of the fuel gas / fuel mixture G / B flowing through the fuel gas supply channel 4. Due to the regular (flat, rotationally symmetrical) design of the mouth edge 6 this results in a uniform (symmetrical) vortex field 34 of the tearing vortices 33. This has the consequence that a uniform pressure and density distribution of the mixture G / B is established over the entire mouth 3 of the fuel gas supply channel 4. If there is spontaneous ignition of the fuel gas / fuel mixture G / B, this ignition spreads suddenly over the entire swirl field 34 in accordance with the uniform pressure and density distribution. An extended pressure pulse results.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through the straight, cylindrical tubular fuel gas supply channel 4 from FIG. 2.
  • the channel 4 opens along the opening direction 17 into the combustion chamber 2, which is not shown here.
  • an opening tangent 16 lies against the inner channel wall 5.
  • the mouth tangent 16 is directed parallel to the mouth direction 17 here. This applies to every point of the mouth edge 6.
  • FIG. 4 shows a fuel gas supply duct 4 according to the invention with an irregularly shaped mouth rim 6.
  • the mouth edge 6 here alternately shows heights ("tongues”) and valleys ("notches"), the distribution of these heights and valleys (i.e. their distance from one another, their shape and their dimensioning) being different.
  • the triangular, trapezoidal or rectangular shape is possible.
  • flat surface 35 that intersects the fuel gas supply channel 4 vertically, each point of the mouth edge 6 is at a distance L.
  • FIG. 5 shows a top view of the mouth 3 of a fuel gas supply channel 4, in which the mouth edge 6 is designed irregularly in a different way than in FIG. 4.
  • the mouth edge 6 spans a mouth surface 7, which is not rotationally symmetrical.
  • the mouth edge 6 does not represent a circle here, but a serpentine line. This stems from the fact that the channel wall 5 opens into the combustion chamber 2 along the mouth edge 6 at different angles. This is explained in more detail with reference to FIG. 6.
  • FIG. 6 shows a longitudinal section through the fuel gas supply channel 4 from FIG. 5.
  • the fuel gas supply channel 4 opens into the combustion chamber (not shown) under the opening direction 17.
  • the opening edge 6 is shown by two points 6A and 6B.
  • an orifice tangent 16A lies against the channel wall 5.
  • an orifice tangent 16B bears against the channel wall 5.
  • the mouth tangent 16A includes a mouth angle ⁇ 1 with the mouth direction 17, and the mouth tangent 16B includes another mouth angle ⁇ 2> ⁇ l with the mouth direction 17.
  • Muzzle angle ⁇ l or ⁇ 2 the course of the mouth edge 6 is bent or "dented” at different distances from the central mouth direction 17. Vortices 33 detaching from the mouth edge 6 enter into the respective existing tangents 16A, 16B
  • Combustion chamber 2 a The different entry angles of the vortices 33 result in an uneven vortex field 34 with the suppressive effect set out above on the formation of a combustion oscillation.
  • FIG. 7 shows a burner 1 designed as a hybrid burner for a gas turbine.
  • a (in section annular) fuel gas supply channel 4 for fuel gas G which opens into a combustion chamber 2, is arranged rotationally symmetrically about an axis 20.
  • the combustion chamber 2 is preferably an annular combustion chamber in which a plurality of burners 1, not shown, is installed.
  • the fuel gas supply duct 4 encloses a pilot burner 9 with a fuel gas supply line 10 for fuel gas H (such as air) and a fuel feed line 11 for fuel S (such as petroleum).
  • Swirl grids 21 and 22 are arranged both in the fuel gas supply line 10 of the pilot burner 9 and in the fuel gas supply duct 4. They are used for stabilization combustion by imparting a swirl to the fuel gas H or G.
  • the channel wall 5 of the fuel gas supply channel 4 has a mouth edge 6 at the mouth 3. This is formed by an outer mouth edge 6A and an inner mouth edge 6B.
  • the fuel gas supply line 10 of the pilot burner 9 also has an outer mouth edge 6R and an inner mouth edge 6S.
  • fuel B preferably petroleum or natural gas
  • a fuel / air mixture G / B is formed, which ignites on the pilot flame of the pilot burner 9 in the combustion chamber 2.
  • the resulting exhaust gas A drives a turbine (not shown).
  • the mouth edge 6 is of irregular design, as a result of which the advantage already described in detail, namely the suppression of the formation of combustion vibrations by vortices, is achieved.
  • the channel wall 5 has an orifice tangent 16A and 16A', respectively.
  • the fuel gas supply channel 4 opens into the combustion chamber 2 at an opening direction 17.
  • the mouth tangent 16A forms an angle ⁇ A with the mouth direction 17, and the mouth tangent 16A 1 forms an angle ⁇ A 'with the mouth direction 17.
  • the channel wall 5 has a mouth tangent 16B and 16B', respectively.
  • the mouth tangent 16B includes a mouth angle ⁇ B with the mouth direction 17, and the mouth tangent 16 'includes a mouth angle ⁇ B' with the mouth direction 17.
  • the opening angle ⁇ B or ⁇ A changes irregularly along the opening edge 6, that is to say in further longitudinal sections through the burner 1. Different results result from the different opening angles ⁇ of the channel wall 5 Entry angle ⁇ for vortices 33 detaching from the mouth edge 6. This results in the formation of an uneven vortex field 34 and thus the suppression of the combustion oscillation, which has already been explained in detail above.
  • the outer mouth edge 6A and the inner mouth edge 6B thus each end at different points of the respective mouth edge 6 at different lengths L, measured along the axis 20 from an arbitrarily selected reference plane 35 oriented perpendicular to the axis 20
  • the mouth edge 6C, 6D of the pilot burner 9 is carried out regularly in this example. But it could also be irregular.
  • FIG. 8 shows, in a top view of the burner 1 from FIG. 7, how the different angles of curvature ⁇ along the mouth edge 6 affect the shape of the mouth surface 7.
  • the result is an annular surface with a serpentine contour.
  • the low symmetry of the mouth surface 7 results in an additional non-uniformity of a vortex field 34 detaching from the mouth edge 6.
  • FIG. 9 shows an edge of the mouth 4 with the shape of a battlement.
  • the mouth edge 4 is shown in an unwrapped position.
  • the mouth edge 4 has three equidistant rectangular projections 70, which are referred to as castle pinnacles.
  • Each projection has a height H and a width B.
  • the mouth edge 4 has no more than three castle pinnacles. These have a ratio of width B to height H of more than 2: 1.
  • FIG. 10 shows a mouth edge 4, which is likewise flat and developed, with a triangularly jagged shape.
  • the mouth edge 4 is here formed by five adjacent, isosceles triangles.
  • FIG. 11 shows a top view of an orifice surface 7 of a fuel gas supply channel 4.
  • Approximately triangular-shaped deflection means 80 are arranged on the inside of the fuel gas supply channel 4 and are part of the channel wall 5.
  • the mouth edge 6 is partially formed by the outer edge of the deflection means 80.
  • FIGS. 9 to 11 are particularly well suited to disrupt the formation of ring vortices that detach from the mouth edge 6.
  • large ring vortices 33 which enclose the entire circumference of the fuel gas supply channel 4, are effectively prevented from forming by the mouth edge 6 designed in this way.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner (1), insbesondere für eine Gasturbine, in dem der Brenngaszufuhrkanal (4) erfindungsgemäss einen unregelmässig ausgebildeten Mündungsrand (6) aufweist. Dadurch ergibt sich ein ungleichmässiges Wirbelfeld (34) aus Wirbeln (33), welche sich vom Mündungsrand (6) ablösen. Dies hat die Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen zur Folge.

Description

Beschreibung
Brenner
Die Erfindung betrifft einen Brenner, insbesondere einen Brenner für eine Gasturbine, mit einer Brennkammer, in die ein Brenngaszufuhrkanal mündet, wobei die Kanalwand des Brenngaszufuhrkanals an der Mündung einen Mündungsrand aufweist .
In der DE 90 05 033 Ul ist eine Brennerplatte für einen atmosphärischen Brenner beschrieben. Die Brennerplatte ist mit einer Vielzahl von Öffnungen durchsetzt. Die Ränder dieser Öffnungen sind unregelmäßig gestaltet. Dadurch ergibt sich eine Verringerung störender Resonanzgeräusche.
Das Prinzip eines Hybridbrenners ist beschrieben in dem Artikel "Progress in NOx and CO Emission Reduction of Gas Turbi- nes", H. Maghon, P. Behrenbrink, W. Termuehlen und G. Gärtner, ASME/IEEE Power Generation Conference, Boston, October 1990. Ein Hybridbrenner ist auch in der EP-A-0 580 683 näher erläutert .
In dem Artikel "Aktive Dämpfung selbsterregter Brennkammerschwingungen (AIC) bei Druckzerstäuberbrennern durch Modulation der flüssigen Brennstoffzufuhr" von J. Hermann, D. Vort- meyer und S. Gleiß, VDI-Berichte Nr. 1090, 1993, ist beschrieben, wie eine Verbrennungsschwingung in der Brennkammer einer Gasturbine oder eines Kessels entsteht und wie sie aktiv gedämpft werden kann. Bei der Verbrennung in der Brennkammer kann es nämlich zu der erwähnten selbsterregten Verbrennungsschwingung kommen, die auch als Verbrennungsinstabilität bezeichnet wird. Eine solche Verbrennungsschwingung entsteht durch die Wechselwirkung zwischen einer schwankenden Wärmefreisetzung bei der Verbrennung und der Akustik der Brennkammer. Eine Verbrennungsschwingung geht häufig einher mit einer hohen Lärmemission und einer mechanischen Belastung der Brennkammer, die bis zu einer Zerstörung von Bauteilen gehen kann. Die aktive Dämpfung der Verbrennungsschwingung wird dadurch erreicht, daß ein Stellglied (z.B. ein Piezo-Ak- tuator) die dem Brenner pro Zeiteinheit zugeführte Brenn- stoffmenge moduliert. Ein Mikrofon nimmt dabei die akustischen Schwingungen in der Brennkammer auf, und aus dem Mikrofonsignal wird ein Regelsignal für die Regelung der pro Zeiteinheit zugeführten Brennstoffmenge so abgeleitet, daß die Modulation der zugeführten Brennstoffmenge antizyklisch zur Verbrennungsschwingung erfolgt. Diese aktive Dämpfung der Verbrennungsschwingung erfordert einen beträchtlichen apparativen Aufwand.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß ein geringerer apparativer Aufwand dadurch erreichbar ist, daß die Geometrie des Brenners so gestaltet wird, daß eine geringere Tendenz zur Ausbildung der Verbrennungsschwingung besteht. Dieses Vorgehen kann als passive Dämpfung der Verbrennungsschwingung bezeichnet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, einen Brenner der eingangs genannten Art anzugeben, in dem eine passive Dämpfung der Verbrennungsschwingung erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Brenner, insbesondere für eine Gasturbine, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Mündungsrand unregelmäßig ausgebildet ist. Bei dem Brenner mündet ein Brenngaskanal in eine Brenn- kammer. Der Brenngaskanal weist eine Querschnittsfläche auf, die von einem Mündungsrand des Brenngaskanals begrenzt wird. Der Mündungsrand umgibt also den Querschnitt des Brenngaskanals. Der Mündungsrand kann dabei auch z.B. ein innerer Ring eines Ringkanals sein. Der Mündungsrand wird aber nicht durch den Rand einer Öffnung in einer Platte gebildet, die vor dem Brenngaskanal angeordnet ist. Insbesondere sind keine Brennerplatten mit einer Vielzahl von Öffnungen gemeint. Mit "unregelmäßig" ist hier gemeint, daß der Brenngaszufuhrkanal einen Mündungsrand aufweisen kann, der unterschiedlich lange "Zungen" und/oder unterschiedlich tiefe "Einkerbungen" besitzt, der also "ausgefranst" ist. Mit "unregelmäßig" ist auch gemeint, daß die Kanalwand entlang des Umfangs der Mündung unter unterschiedlichen Winkeln in die Brennkammer mündet, also "eingedellt" oder "verbeult" ist. Der Rand weist demnach - in Umfangsrichtung gesehen - eine nichtrotations- symmetrische Kontur auf. Die "ausgefranste" und/oder die
"verbeulte" Ausbildung bzw. Ausbildungen des Mündungsrandes kann bzw. können auf dem Umfang periodisch oder auch unperiodisch ausgeführt sein.
Beim Brenner einer Gasturbine wird der Strömungskanal, durch den das Brenngas Luft durch ein Drallgitter in die Brennkammer strömt, üblicherweise rotationssymmetrisch ausgeführt. Dies macht die Auslegung und die Fertigung einfach. Es gibt jedoch insbesondere bei Vormischbrennern Flammenschwingungen, die durch diese Bauweise begünstigt werden. Untersuchungen haben ergeben: Je gleichmäßiger das Geschwindigkeits- und Mischungsfeld ist, desto deutlicher ausgeprägt ist die Eigenschaft des Brenners, in ganz bestimmten Eigenfrequenzen intensive Schwingungen zu erzeugen. Ein bekannter Mechanismus, der solche Schwingungen erzeugt, ist die Wirbelbildung in Zonen mit hohen Geschwindigkeitsgradienten. Bei einem rotationssymmetrischen Kanal bilden sich periodische Ringwirbel, die ein Gemisch aus Luft und Brennstoff in sich führen und die sich nach einer bestimmten Laufzeit spontan entzünden. Sie erzeugen periodische Druckpulse, die wiederum zur Wellen- und Wirbelbildung in der Scherströmung führen.
Der Mündungsrand stellt für ein durch den Brennstoffzufuhrka- nal strömendes Gemisch eine Abrißkante für Wirbel dar. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß sich von einem Mündungsrand, der regelmäßig ausgebildet ist, ein gleichmäßiges Wirbelfeld ablöst. Ein solches Wirbelfeld stellt eine gleichmäßige, sich über den ganzen Mündungsrand erstreckende Druck- und Dichteverteilungen des Gemisches aus Brenngas und Brennstoff dar. Entzündet sich ein solches Gemisch spontan, so kommt es zu einem großflächig ausgedehnten Druckpuls. Durch Wechselwirkung mit weiteren, sich periodisch vom Mündungsrand lösenden Wirbeln kann es dann zur Ausbildung einer Verbrennungsschwingung kommen. Der hier angesprochene unregelmäßig ausgeführte Mündungsrand hat demgegenüber zur Folge, daß Wirbel, welche sich entlang dieses Mündungsrandes ablö- sen, kein gleichmäßiges Wirbelfeld bilden. Dementsprechend kommt es zu ungleichmäßigen, abgeschwächten Schwankungen von Dichte und Druck im Brenngas-Brennstoff-Gemisch entlang des Mündungsrandes. Damit treten spontane Entzündungen lokal und zeitlich versetzt auf. Es kommt nicht zu einem räumlich aus- gedehnten Druckpuls. Dies hat wiederum zur Folge, daß sich über die Wirbelbildung keine periodische Verbrennungsschwingung ausbildet. Die Erfindung ist nicht auf Brenner für Gasturbinen beschränkt, sondern kann auch vorteilhaft in anderen Brennern eingesetzt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Mündungsrand eine Mündungsfläche aufspannt, die nicht eben ist. Durch diese Ausgestaltung liegen sich vom Mündungsrand lösende Wirbel nicht in einer Ebene. Dies hat zur Folge, daß es nicht zu einer in einer Ebene gleichmäßigen Druckoder Dichteverteilung des Gemisches kommt. Die Ausführung des Mündungsrandes, die oben mit dem Begriff "ausgefranst" umschrieben wurde, führt vielmehr dazu, daß sich ein ungleichmäßiges, verzerrtes Wirbelfeld ausbildet. Somit ist auch die Geschwindigkeits- und Mischungsverteilung im Gemisch ungleichmäßig. Entsprechend den obigen Ausführungen folgt damit eine Unterdrückung der Ausbildung der Verbrennungsschwingung aufgrund der Wirbelbildung.
Nach einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Brenngaszufuhrkanal unter einer Mündungsrichtung in die Brennkammer mündet, wobei in einem jeden Längsschnitt durch die Kanalwand der Mündungsrand eine Mündungstangente aufweist, die zur Mündungsrichtung in einem Mündungswinkel gerichtet ist, welcher Mündungswinkel sich entlang des Mündungsrandes ändert. Der Brenngaszufuhrkanal mündet unter ei- ner vorgegebenen Mündungsrichtung in die Brennkammer. Bevorzugtermaßen ist vorgesehen, daß in einem jeden Längsschnitt durch die Kanalwand der Mündungsrand eine Mündungstangente aufweist, die zur Mündungsrichtung in einem Mündungswinkel gerichtet ist, der sich entlang des Mündungsrandes ändert. Dabei kann der Mündungswinkel auch null sein, was bedeutet, daß die Kanalwand an dieser Stelle parallel zur Mündungsrichtung mündet. Der Winkel kann auch negativ sein, so daß die Kanalwand an einer solchen Stelle zur Kanalmitte hin gekrümmt ist. Für einen einfachen, z.B. rohrförmigen Kanal ist die Mündungsrichtung die gerade Verlängerung der Kanalmittellinie an der Mündung. Für einen ringspaltförmigen Kanal ist die Mündungsrichtung die gerade Verlängerung eines jeweiligen Längsschnittes durch die Kanalmittelfläche. In der genannten Ausführungsform ändert sich entlang des Mündungsrandes der Winkel, in dem sich die Kanalwand an die Brennkammer anschließt. Dies wurde oben auch als "verbeulter" Mündungsrand bezeichnet. Durch eine solche Ausgestaltung lösen sich vom Mündungsrand Wirbel in unterschiedlichen Richtungen und Intensitäten. Dies führt wiederum dazu, daß sich kein gleichmä- ßiges Wirbelfeld ausbildet. Dies hat entsprechend den obigen Ausführungen zur Folge, daß es zu keiner gleichmäßigen Druckoder Dichteverteilung des Brenngas-Brennstoff-Gemisches entlang des Mündungsrandes kommt. Dies hat die bereits erläuterte, unterdrückende Wirkung hinsichtlich der Ausbildung der Verbrennungsschwingung.
Die "ausgefranste" Auführungsform kann auch mit der "eingedellten" oder "eingebeulten" Ausführungsform kombiniert werden.
Weiter bevorzugt ist die Kanalwand so gestaltet, daß ein den Brenngaszufuhrkanal durchströmendes Brenngas in jedem Punkt in der Nähe des Mündungsrandes eine Strömungsrichtung ungefähr parallel zur jeweils nächstliegenden Mündungstangente aufweist. Mit dieser Ausgestaltung wird erreicht, daß das Gemisch entlang des Mündungsrandes unter einem Winkel entspre- chend dem Winkel der Kanalwand am jeweiligen Punkt des Mündungsrandes in die Brennkammer eingeleitet wird. Insbesondere zeigt ein Mündungsrand, bei dem die Kanalwand in unterschiedlichen Winkeln in die Brennkammer mündet, nur dann eine ausreichende Wirkung hinsichtlich der Erzeugung eines ungleich- mäßigen Wirbelfeldes, wenn sich die Krümmung der Kanalwand über eine ausreichend lange Strecke in Richtung der Erstrek- kungsrichtung des Brenngaszufuhrkanals erstreckt, denn nur so wird im Brenngaszufuhrkanal strömendes Gemisch ausreichend geführt.
Bevorzugt hat der Mündungsrand eine Burgzinnengestalt oder eine dreieckig gezackte Gestalt.
Vorzugsweise ragt ein Auslenkmittel als Teil der Kanalwand in den Brenngaszufuhrkanal hinein, wobei ein äußerer Rand des Auslenkmittels Teil des Mündungsrandes ist.
Bevorzugtermaßen ist der Brenner als Hybrid-Brenner für eine Gasturbine ausgebildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine schematische, perspektivische Darstellung ei- nes Brenners gemäß dem Stand der Technik,
FIG 2 den Brenngaszufuhrkanal entsprechend Figur 1 in perspektivischer Darstellung,
FIG 3 einen Längsschnitt durch den Brenngaszufuhrkanal aus Figur 2, IG 4 einen Brenngaszufuhrkanal mit unregelmäßig gestaltetem ("ausgefranstem") Mündungsrand gemäß der Erfindung,
IG 5 eine Aufsicht auf die Mündung eines Brenngaszufuhrkanals mit unregelmäßig gestaltetem ("eingedell- tem") Mündungsrand gemäß der Erfindung,
IG 6 einen Längsschnitt durch den Brenngaszufuhrkanal aus Figur 4,
IG 7 einen Längsschnitt durch einen Hybrid-Brenner für eine Gasturbine gemäß der Erfindung,
IG 8 eine Aufsicht auf die Mündung des Hybrid-Brenners aus Figur 7.
FIG 9 einen Mündungsrand mit Burgzinnengestalt,
FIG 10 einen dreieckig gezackten Mündungsrand, und
FIG 11 einen Mündungsrand mit Auslenkmitteln.
Dieselben Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
In Figur 1 ist schematisch und perspektivisch ein Brenner 1 dargestellt. In dessen Brennkammer 2 mündet an einer Mündung 3 ein Brenngaszufuhrkanal 4 für Brenngas G, in diesem Falle für Luft. Der Brenngaszufuhrkanal 4 hat eine Querschnittsfläche 7A. An der Mündung 3 weist die Kanalwand 5 des Brenngaszufuhrkanals 4 einen Mündungsrand 6 auf. Der Mündungsrand 6 begrenzt hier eine kreisrunde, ebene Mündungsfläche 7 und begrenzt auch die Querschnittsfläche 7A. In den Brenngaszufuhr- kanal 4 führt eine Einspritzdüse 13, die an eine Brennstoffzufuhrleitung 12 für Brennstoff B angeschlossen ist. In der Brennkammer 2 ist ein Pilotbrenner 9 eingebaut. Dieser weist eine eigene Brenngaszufuhrleitung 10 für Brenngas H, in diesem Falle Luft, und eine eigene BrennstoffZuleitung 11 für Brennstoff S, in diesem Falle ein brennbares Gas, auf. Von der Brennkammer 2 weg führt ein Abgaskanal 8.
Im Betrieb des Brenners 1 wird dem Brenngas G, in diesem Falle also Luft, im Brenngaszufuhrkanal 4 über die Einspritzdüse 13 der Brennstoff B, z.B. Erdöl, zugemischt. Der Brennkammer 2 wird dadurch über den Brenngaszufuhrkanal 4 ein Brennstoff-Brenngas-Gemisch B/G zugeführt. Am Pilotbrenner 9 wird eine Pilotflamme 14 aufrechterhalten. An dieser Pilotflamme 14 entzündet sich das aus dem Brenngaszufuhrkanal 4 austretende Brennstoff-Brenngas-Gemisch B/G. Das bei der Verbrennung entstehende Abgas A wird durch den Abgaskanal 8 ab- geleitet. Bei Einleitung des Brennstoff-Brenngas-Gemisches B/G in die Brennkammer 2 lösen sich vom Mündungsrand 6 des Brenngaszufuhrkanals 4 Wirbel 33 ab. Dies wird anhand von Figur 2 näher erläutert.
Figur 2 zeigt den Brenngaszufuhrkanal 4 aus Figur 1. Der Mündungsrand 6 des Brenngaszufuhrkanals 4 stellt eine Abrißkante für Wirbel 33 des durch den Brenngaszufuhrkanal 4 strömenden Brenngas-Brennstoff-Gemisches G/B dar. Durch die regelmäßige (ebene, rotationssymmetrische) Ausführung des Mündungsrandes 6 ergibt sich ein gleichmäßiges (symmetrisches) Wirbelfeld 34 der abreißenden Wirbel 33. Dies hat zur Folge, daß sich über die ganze Mündung 3 des Brenngaszufuhrkanals 4 eine gleichmäßige Druck- und Dichteverteilung des Gemisches G/B einstellt. Kommt es zu einer spontanen Entzündung des Brenngas- Brennstoff-Gemisches G/B, so breitet sich diese Entzündung entsprechend der gleichmäßigen Druck- und Dichteverteilung schlagartig über das ganze Wirbelfeld 34 aus. Es ergibt sich ein ausgedehnter Druckpuls. Durch Wechselwirkung mit sich danach ablösenden Wirbeln 33 und Wirbelfeldern 34 wird eine Verbrennungsschwingung ausgebildet. Eine solche Verbrennungsschwingung kann zu hoher Lärmentwicklung oder sogar zur Schädigung des Brenners 1 führen. Figur 3 zeigt einen Längsschnitt durch den geraden, zylinder- rohrförmigen Brenngaszufuhrkanal 4 aus Figur 2. Der Kanal 4 mündet entlang der Mündungsrichtung 17 in die hier nicht dargestellte Brennkammer 2. Im Bereich des Mündungsrandes 6 liegt an der inneren Kanalwand 5 eine Mündungstangente 16 an. Die Mündungstangente 16 ist hier parallel zur Mündungsrichtung 17 gerichtet. Dies gilt für jeden Punkt des Mündungsrandes 6.
In Figur 4 ist demgegenüber ein erfindungsgemäßer Brenngaszufuhrkanal 4 mit einem unregelmäßig ausgebildeten Mündungsrand 6 abgebildet. Der Mündungsrand 6 weist hier abwechselnd Höhen ("Zungen") und Täler ("Einkerbungen") aus, wobei die Vertei- lung dieser Höhen und Täler (d.h. ihr Abstand von einander, ihre Form sowie ihre Bemessung) unterschiedlich sein kann. Beispielsweise ist die Dreiecks-, Trapez- oder Rechteckform möglich. Gemessen zu einer willkürlich gewählten, den Brenngaszufuhrkanal 4 senkrecht schneidenden, ebenen Fläche 35 weist jeder Punkt des Mündungsrandes 6 einen Abstand L auf.
Entlang des Mündungsrandes 6 ändert sich dieser Abstand L unregelmäßig. Durch diesen "ausgefransten" Mündungsrand 6 wird eine Mündungsfläche 7 aufgespannt, die nicht eben ist. Dies hat zur Folge, daß sich durch die vom Mündungsrand 6 ablösen- den Wirbel 33 kein gleichmäßiges Wirbelfeld 34 ausbildet.
Damit kann es allenfalls lokal zu einer spontanen Entzündung des Brennstoff-Brenngas-Gemisches kommen. Dies hat wiederum zur Folge, daß sich keine oder allenfalls eine geringe Verbrennungsschwingung ausbildet. Diese Verbrennungsschwingung ist also durch passive, d.h. konstruktive Maßnahmen gedämpft.
Figur 5 zeigt eine Aufsicht auf die Mündung 3 eines Brenngaszufuhrkanals 4, bei dem der Mündungsrand 6 in anderer Weise als in Figur 4 unregelmäßig gestaltet ist. Der Mündungsrand 6 spannt hier eine Mündungsfläche 7 auf, die nicht rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Der Mündungsrand 6 stellt hier also keinen Kreis sondern eine geschlängelte Linie dar. Dies rührt daher, daß die Kanalwand 5 entlang des Mündungsrandes 6 unter unterschiedlichen Winkeln in die Brennkammer 2 mündet. Dies wird näher anhand von Figur 6 erläutert.
Figur 6 zeigt einen Längsschnitt durch den Brenngaszufuhrkanal 4 aus Figur 5. Der Brenngaszufuhrkanal 4 mündet unter der Mündungsrichtung 17 in die (nicht dargestellte) Brennkammer 2. In diesem Längsschnitt ist der Mündungsrand 6 durch zwei Punkte 6A und 6B dargestellt. Im Punkt 6A liegt an der Kanal- wand 5 eine Mündungstangente 16A an. Im Punkt 6B liegt an der Kanalwand 5 eine Mündungstangente 16B an. Die Mündungstangente 16A schließt mit der Mündungsrichtung 17 einen Mündungswinkel αl ein, und die Mündungstangente 16B schließt mit der Mündungsrichtung 17 einen anderen Mündungswinkel α2 > αl ein. Entlang des Mündungsrandes 6 ändern sich die
Mündungswinkel αl bzw. α2. Mit anderen Worten: Der Mündungsrand 6 ist in seinem Verlauf unterschiedlich weit von der zentralen Mündungsrichtung 17 weggebogen oder "eingedellt" . Vom Mündungsrand 6 sich ablösende Wirbel 33 treten entlang der jeweils vorliegenden Mündungstangente 16A, 16B in die
Brennkammer 2 ein. Durch die unterschiedlichen Eintrittswinkel der Wirbel 33 ergibt sich ein ungleichmäßiges Wirbelfeld 34 mit der oben ausgeführten, unterdrückenden Wirkung auf die Ausbildung einer Verbrennungsschwingung.
Figur 7 zeigt einen als Hybrid-Brenner ausgeführten Brenner 1 für eine Gasturbine. Rotationssymmetrisch um eine Achse 20 ist ein (im Schnitt ringförmiger) Brenngaszufuhrkanal 4 für Brenngas G angeordnet, der in eine Brennkammer 2 mündet. Die Brennkammer 2 ist vorzugsweise eine Ringbrennkammer, in der eine nicht dargestellte Vielzahl von Brennern 1 eingebaut ist. Der Brenngaszufuhrkanal 4 umschließt einen Pilotbrenner 9 mit einer Brenngas-Zufuhrleitung 10 für Brenngas H (wie z.B. Luft) und einer BrennstoffZuleitung 11 für Brennstoff S (wie z.B. Erdöl). Sowohl in der Brenngaszufuhrleitung 10 des Pilotbrenners 9 als auch im Brenngaszufuhrkanal 4 sind Drallgitter 21 bzw. 22 angeordnet. Sie dienen der Stabilisierung der Verbrennung, indem sie dem Brenngas H bzw. G einen Drall aufprägen.
Die Kanalwand 5 des Brenngaszufuhrkanals 4 weist an der Mün- düng 3 einen Mündungsrand 6 auf. Dieser wird gebildet von einem äußeren Mündungsrand 6A und von einem inneren Mündungsrand 6B. Die Brenngaszufuhrleitung 10 des Pilotbrenners 9 weist ebenfalls einen äußeren Mündungsrand 6R und einen inneren Mündungsrand 6S auf. In den Brenngaszufuhrkanal 4 wird über Düsen 13 aus BrennstoffZuleitungen 12 Brennstoff B, vorzugsweise Erdöl oder Erdgas, in das Brenngas G, hier wiederum Luft, eingedüst. Es bildet sich ein Brennstoff-Luft-Gemisch G/B, welches sich an der Pilotflamme des Pilotbrenners 9 in der Brennkammer 2 entzündet. Das entstehende Abgas A treibt eine (nicht dargestellte) Turbine an.
Wie in den oben dargestellten Beispielen ist der Mündungsrand 6 unregelmäßig ausgeführt, wodurch der bereits eingehend beschriebene Vorteil, nämlich die Unterdrückung der Ausbildung von Verbrennungsschwingungen durch Wirbel, erzielt wird. An den Punkten 6A bzw. 6A' weist die Kanalwand 5 jeweils eine Mündungstangente 16A bzw. 16A' auf. Der Brenngaszufuhrkanal 4 mündet jeweils unter einer Mündungsrichtung 17 in die Brennkammer 2.
Die Mündungstangente 16A schließt mit der Mündungsrichtung 17 einen Winkel αA ein, und die Mündungstangente 16A1 schließt mit der Mündungsrichtung 17 einen Winkel αA' ein. Auch an den Punkten 6B bzw. 6B ' des inneren Mündungsrandes weist die Kanalwand 5 jeweils eine Mündungstangente 16B bzw. 16B' auf. Die Mündungstangente 16B schließt mit der Mündungsrichtung 17 einen Mündungswinkel αB ein, und die Mündungstangente 16' schließt mit der Mündungsrichtung 17 einen Mündungswinkel αB' ein. Der Mündungswinkel αB bzw. αA ändert sich entlang des Mündungsrandes 6, also in weiteren Längsschnitten durch den Brenner 1, unregelmäßig. Aus den unterschiedlichen Mündungswinkeln α der Kanalwand 5 resultieren unterschiedliche Eintrittswinkel α für sich vom Mündungsrand 6 ablösende Wirbel 33. Daraus ergibt sich die Bildung eines ungleichmäßigen Wirbelfeldes 34 und damit die oben bereits ausführlich erläuterte Unterdrückung der Verbrennungsschwingung.
Der äußere Mündungsrand 6A und der innere Mündungsrand 6B enden somit jeweils bei unterschiedlichen Punkten des jeweiligen Mündungsrandes 6 auf unterschiedlichen Längen L, gemessen entlang der Achse 20 von einer beliebig gewählten, senkrecht zur Achse 20 gerichteten Bezugsebene 35. Dieser
"ausgefranste" Mündungsrand 6 hat ebenfalls die oben beschriebene Ausbildung eines ungleichmäßigen Wirbelfeldes zur Folge und unterdrückt damit die Ausbildung einer Verbrennungsschwingung .
Der Mündungsrand 6C, 6D des Pilotbrenners 9 ist in diesem Beispiel regelmäßig ausgeführt. Er könnte aber ebenfalls unregelmäßig ausgeführt sein.
In Figur 8 ist in einer Aufsicht auf den Brenner 1 aus Figur 7 gezeigt, wie sich die unterschiedlichen Krümmungswinkel α entlang des Mündungsrandes 6 auf die Gestalt der Mündungsfläche 7 auswirken. Es ergibt sich eine Ringfläche mit geschlän- gelter Kontur. Die niedrige Symmetrie der Mündungsfläche 7 ergibt eine zusätzliche Verungleichmäßigung eines sich vom Mündungsrand 6 ablösenden Wirbelfeldes 34.
Figur 9 zeigt einen Mündungsrand 4 mit Burgzinnengestalt. Für eine vereinfachte Darstellung ist der Mündungsrand 4 abgewik- kelt eben dargestellt. Der Mündungsrand 4 weist drei äquidi- stante rechteckige Vorsprünge 70 auf, die als Burgzinnen bezeichnet werden. Jeder Vorsprung hat eine Höhe H und eine Breite B. Vorzugsweise weist der Mündungsrand 4 nicht mehr als drei Burgzinnen auf. Diese haben jeweils ein Verhältnis von Breite B zu Höhe H von mehr als 2 : 1. Figur 10 zeigt einen ebenfalls eben und abgewickelt dargestellten Mündungsrand 4 mit einer dreieckig gezackten Gestalt. Der Mündungsrand 4 wird hierbei durch fünf aneinander- grenzende, gleichschenklige Dreiecke gebildet.
In Figur 11 ist eine Draufsicht auf eine Mündungsfläche 7 eines Brenngaszufuhrkanals 4 gezeigt. Etwa dreiecksförmige Auslenkmittel 80 sind an der Innenseite des Brenngaszufuhrkanals 4 angeordnet und sind Teil der Kanalwand 5. Der Mündungsrand 6 wird teilweise vom äußeren Rand der Auslenkmittel 80 gebildet.
Die Ausführungsformen der Figuren 9 bis 11 sind besonders gut geeignet, die Bildung von Ringwirbeln zu stören, die sich vom Mündungsrand 6 ablösen. Insbesondere große, den gesamten Umfang des Brenngaszufuhrkanals 4 umschließende Ringwirbel 33 werden durch den so ausgestalteten Mündungsrand 6 effektiv an ihrer Entstehung gehindert.

Claims

Patentansprüche
1. Brenner (1), insbesondere für eine Gasturbine, mit einer Brennkammer (2), in die ein Brenngaszufuhrkanal (4) mit einer Querschnittsfläche (7A) mündet, wobei die Kanalwand (5) des Brenngaszufuhrkanals (4) an der Mündung (3) einen Mündungsrand (6) aufweist, welcher Mündungsrand (6) die Querschnittsfläche (7A) begrenzt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Mün- dungsrand (6) unregelmäßig ausgebildet ist.
2. Brenner (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Mündungsrand (6) eine Mündungsfläche (7) aufspannt, die nicht eben ist (Fig. 4) .
3. Brenner (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Brenngaszufuhrkanal (4) unter einer Mündungsrichtung (17) in die Brennkammer (2) mündet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in einem jeden Längsschnitt durch die Kanalwand (5) der Mündungsrand (6) eine Mündungstangente (16) aufweist, die zur Mündungsrichtung (17) in einem Mündungswinkel (α) gerichtet ist, welcher Mündungswinkel (α) sich entlang des Mündungsrandes (6) ändert (Fig. 5 und 6) .
4. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kanalwand (5) so gestaltet ist, daß ein den Brenngaszufuhrkanal (4) durchströmendes Brenngas (G) in jedem Punkt in der Nähe des Mündungsrandes (6) eine Strömungsrichtung ungefähr parallel zur jeweils nächstliegenden Mündungstangente (16) aufweist .
5. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Ausführung als Hybridbrenner für eine Gasturbine (Fig. 7 und 8) .
6. Brenner (1) nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen zentralen Pilotbrenner (9) , der von einem im Querschnitt ringförmigen Brenngaszufuhrkanal (4) umgeben ist (Fig. 7).
7. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Mündungsrand (6) eine Burgzinnengestalt hat.
8. Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Mündungsrand (6) eine dreieckig gezackte Gestalt hat.
9. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Auslenkmittel (80) als Teil der Kanalwand (5) in den Brenngaszufuhrkanal (4) hineinragt, wobei ein äußerer Rand des Auslenkmittels (80) Teil des Mündungsrandes (6) ist.
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