WO1999049264A1 - Brenner und verfahren zur reduzierung von verbrennungsschwingungen beim betrieb - Google Patents

Brenner und verfahren zur reduzierung von verbrennungsschwingungen beim betrieb Download PDF

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WO1999049264A1
WO1999049264A1 PCT/DE1999/000614 DE9900614W WO9949264A1 WO 1999049264 A1 WO1999049264 A1 WO 1999049264A1 DE 9900614 W DE9900614 W DE 9900614W WO 9949264 A1 WO9949264 A1 WO 9949264A1
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swirl
burner
combustion
flow
combustion air
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PCT/DE1999/000614
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Manfred Ziegner
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F23C7/004—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion using vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D23/00—Assemblies of two or more burners
    • 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
    • F23D2210/00—Noise abatement

Definitions

  • the invention relates to a burner with a flow channel for supplying a flow from combustion air or from a combustion air / fuel mixture, a swirl device being provided in the flow channel for imparting a swirl to the flow.
  • the invention further relates to the use of a burner and a method for reducing combustion vibrations.
  • combustion vibrations When operating a burner in a combustion system, combustion vibrations can form. This is also known under the terms “combustion chamber hum”, “combustion chamber vibrations”, “combustion-induced pressure pulsations”, “vibrating combustion”. The combustion vibrations are based on an interaction of the pro
  • a hybrid burner for a gas turbine is known from the EP-0 580 683 B1.
  • a hybrid burner has both a diffusion burner and a premix burner.
  • the premix burner of the hybrid burner has an annular channel for supplying combustion air or a combustion air / fuel mixture.
  • a swirl device for applying a swirl to a flow, which forms the supplied combustion air / fuel mixture or the combustion air in the ring channel.
  • This swirl device is also referred to as a swirl grid.
  • the diffusion burner of the hybrid burner is arranged coaxially in the ring channel of the premix burner.
  • the diffusion burner has a combustion air supply duct designed as an annular duct, in which a fuel supply duct is arranged coaxially.
  • the channels of the diffusion burner open into a nozzle.
  • the diffusion burner has a pilot burner in its combustion air supply duct, which is only required for the operation of the premix burner.
  • a combustion air / fuel mixture is supplied via the ring channel of the premix burner, which mixture forms a flow in the ring channel, and a swirl is applied to the flow with the help of the swirl grille.
  • the swirling flow exits the premix burner for combustion.
  • the combustion is stabilized with the pilot burner flame.
  • combustion air or fuel is fed to a mixture in the region of the nozzles of the diffusion burner via the combustion air and the fuel supply channel of the diffusion burner.
  • the combustion air / fuel mixture formed in the mixture emerges from the diffusion burner for combustion.
  • the object of the invention is to provide a burner with a lower tendency to form combustion vibrations to indicate use in a combustion system. Another object is to provide a method for reducing combustion vibrations.
  • the object directed to a burner is achieved by a burner according to the preamble of claim 1, which has a swirl device with an outflow end, which swirl device is designed such that the swirl is impressed unevenly in the circumferential direction.
  • the invention is based on the knowledge that when a burner is operating in the flow channel, a flow of combustion air is formed which is mixed with fuel to form a combustion air / fuel mixture via fuel inlets.
  • the fuel is preferably fed into a flow of combustion air that is uniform over the cross section of the flow channel. This has the advantage that the local mixing ratio between combustion air and fuel is essentially uniform over the cross section. With a uniform mixture, the NO x content of the exhaust gas, which arises during the combustion of the combustion air / fuel mixture formed in the mixture, can be influenced.
  • a swirl is preferably applied to the flow in the flow channel in order to stabilize the combustion.
  • This swirl is usually uniform over the circumference of the flow channel so as not to impair the uniformity of the flow.
  • Studies have shown that the more uniform the flow of a combustion air / fuel mixture supplied for combustion with a burner, the greater the likelihood that combustion vibrations can form when the burner is operated in a combustion system.
  • the invention is therefore based on the idea of designing a burner in such a way that a flow of a combustion air / fuel mixture formed before the supply to a combustion is so uneven by applying an uneven swirl that the excitation of combustion vibrations during operation of the burner in a combustion system is at least significantly reduced.
  • a swirl device arranged in the flow channel, a swirl which is uneven in the circumferential direction is impressed on the flow of the combustion air / fuel mixture.
  • the swirl device preferably has a plurality of swirl elements, each swirl element having a deflection surface. Due to the geometry of the flow channel, a main flow direction of the flow of the combustion air / fuel mixture is defined, which can change depending on the burner geometry.
  • the deflection surfaces of the swirl elements each have an outflow angle to the main flow direction at the outflow end, which angle is preferably different for at least two directly adjacent swirl elements. It is thereby achieved that the flow exits at least two different angles in the circumferential direction after flowing through the swirl device, so that the imposed swirl is uneven in the circumferential direction.
  • each swirl element is designed as a swirl blade.
  • a plurality of swirl elements with the same outflow angles preferably form a swirl group, and the swirl device has at least one such swirl group.
  • the swirl device is further preferably formed from a plurality of swirl groups, adjacent swirl groups having different outflow angles.
  • the swirl device can for example, be formed from six swirl groups, each swirl group each having four swirl elements.
  • the flow channel of the burner is preferably designed as an annular channel, the swirl device being arranged in the annular channel.
  • the burner can be designed, for example, as a hybrid burner for a gas turbine.
  • the burner preferably has a fuel inlet through which fuel can be fed into the flow channel upstream of the outflow end. As a result, the fuel is fed into a uniform flow of combustion air flowing in the supply duct in front of the swirl device.
  • the object directed to the use is achieved according to the invention by a use according to claim 10, according to which the burner is used in a gas turbine for the combustion of a combustion air / fuel mixture in a combustion chamber.
  • a flow of a combustion air / fuel mixture or of combustion air in a flow channel of the burner is imparted with an uneven swirl in the circumferential direction.
  • the swirl device for imparting the swirl and the method for reducing combustion vibrations are explained in more detail. They show schematically and partly not to scale, showing the constructive and functional features used for the explanation:
  • FIG. 1 shows a burner designed as a hybrid burner for a gas turbine and
  • FIG. 2 shows a view of the swirl elements of the ring channel of the premix burner which are developed in the circumferential direction.
  • the reference numerals feliere figures are each moving ⁇ che importance.
  • the hybrid burner 1 shows a burner 1 designed as a hybrid burner 1 of a gas turbine, which is not shown in greater detail.
  • the hybrid burner 1 has both a diffusion burner 2 and a premix burner 3.
  • the premix burner 3 has an annular channel 4 with an outer wall 16, which is used to supply combustion air 5 or a combustion air / fuel mixture 5.
  • a swirl device 6 Arranged in the ring channel 4 is a swirl device 6 with an outflow end 12, which serves to apply a swirl to a flow 7, which flow 7 forms the supplied combustion air / fuel mixture 5 or the combustion air 5 in the ring channel 4.
  • the swirl device 6 is also referred to below as a swirl grille 6.
  • the swirl grille 6 has a plurality of swirl elements 15, each of which is designed as a swirl blade.
  • Fuel inlets 13 are arranged upstream of the outflow end 12, via which fuel 14 can be fed into the ring channel 4 and thus can be admixed with the combustion air 5.
  • the diffusion burner 2 of the hybrid burner 1 is arranged coaxially in the ring channel 4 of the premix burner 3.
  • the diffusion burner 2 has a combustion air supply duct 8 designed as an annular duct, in which a fuel supply duct 9 is arranged coaxially.
  • the channels 8 and 9 of the diffusion burner 2 open into a nozzle 10.
  • the diffusion burner has ner 2 in its combustion air supply channel 8, a pilot burner 11, which is provided for operating the premix burner 3.
  • combustion air 5 is supplied via the ring channel 4 and mixes with fuel 14 supplied via the fuel inlets 13 to form a combustion air / fuel mixture.
  • the combustion air / fuel mixture 5 forms a flow 7 with a local main flow direction 14
  • An advantage of the described embodiment of the Hyb ⁇ d burner 1 is that, due to the uneven swirl that the flow 7 of the combustion air / fuel mixture 5 supplied to the combustion has, the outflow from the burner itself is uneven, which increases the combustion vibrations is at least reduced.
  • Another advantage is that the flow 7 has a swirl with which the combustion is stabilized.
  • the combustion air 5 upstream of the outflow end 12 forms a uniform flow 7.
  • the uniform flow 7 of the combustion air 5 can be supplied and mixed with fuel 14 upstream, as a result of which a uniform mixture between combustion air 5 and fuel 14 can be achieved. This makes it possible to reduce the amount of NO x compounds formed during the combustion.
  • a swirl grille arranged in the combustion air supply duct 8 can be designed such that a swirl which is uneven in the circumferential direction can be impressed on a flow forming in the combustion air supply duct 8.
  • FIG. 2 shows a view of the swirl elements 15 of the ring channel 4 of the premix burner 3 which are developed in the circumferential direction, the direction 17 shown in FIG. 1 perpendicular to the outer wall 16 of the ring channel 4 being selected as the viewing direction.
  • the swirl elements 15 each have a deflection surface 18.
  • the deflection surfaces 18 each form an outflow angle ⁇ with the local main flow direction 14 (see also FIG. 1).
  • the deflection surfaces 18 of two adjacent swirl elements 20 and 21 have different outflow angles cxi and ⁇ 2 .
  • the flow 7 leaves the swirl grille 6 at the outflow end 12 with a swirl impressed unevenly in the circumferential direction.
  • the swirl elements 20 and the swirl elements 21 are each combined to form a swirl group which have the outflow angle oci or ⁇ 2 .
  • the invention is characterized by a burner in which combustion air or a combustion air / fuel mixture is fed to a combustion in a flow, a swirl which is uneven in the circumferential direction being impressed on the flow.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner (1), bei dem in einer Strömung (7) Verbrennungsluft (5) oder ein Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch (5) einer Verbrennung zugeführt wird, wobei der Strömung (7) ein in Umfangsrichtung ungleichmässiger Drall aufgeprägt wird. Zur Zuführung der Verbrennungsluft (5) oder des Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemischs (5) dient ein Strömungskanal, in dem eine Drallvorrichtung (6) zur Aufprägung des in Umfangsrichtung ungleichmässigen Dralls auf die Strömung (7) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines Brenners sowie ein Verfahren zur Reduzierung von Verbrennungsschwingungen.

Description

Beschreibung
BRENNER UND VERFAHREN ZUR REDUZIERUNG VON VERBRENNUNGSSCHWINGUNGEN BEIM BETRIEB
Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem Strömungskanal zur Zuführung einer Strömung aus Verbrennungsluft oder aus einem Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch, wobei im Strö- mungskanal eine Drallvorrichtung zur Aufprägung eines Dralls auf die Strömung vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines Brenners sowie ein Verfahren zur Reduzierung von Verbrennungsschwingungen.
Bei einem Betrieb eines Brenners in einem Verbrennungssystem kann es zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen kommen. Dies ist auch bekannt unter den Begriffen "Brennkammerbrummen", "Brennkammerschwingungen", "verbrennungsinduzierte Druckpulsationen", "schwingende Verbrennungen". Die Verbren- nungsschwingungen beruhen auf einer Wechselwirkung der pro
Zeiteinheit zugeführten Menge des im Strömungskanal des Brenners strömenden Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemischs, welches nach einem Eintritt in eine Brennkammer gezündet wird und in einer Flamme verbrennt, mit dem momentanen Verbrennungsumsatz in der Flamme. Mit Verbrennungsumsatz ist die pro Zeiteinheit bei einer Verbrennung in einer Flamme umgesetzte Menge von Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch bezeichnet. Durch eine Änderung des Verbrennungsumsatzes kann es zu Druckschwankungen in der Brennkammer kommen, die zur Ausbildung einer sta- bilen Druckschwingung führen können. Die Verbrennungsschwingungen verursachen neben einer erhöhten Lärmentwicklung eine verstärkte mechanische und thermische Beanspruchung von zur Brennkammer zugehörigen Wänden und weiterer zum Verbrennungssystem gehörender Teile. Ein Hybridbrenner für eine Gasturbine ist bekannt aus der EP-0 580 683 Bl. Ein Hybridbrenner weist sowohl einen Diffusionsbrenner, als auch einen Vormischbrenner auf. Er ist daher sowohl im Diffusionsbetrieb, als auch im Vormischbetrieb betreibbar. Der Vormischbrenner des Hybridbrenners weist ei- nen Ringkanal zur Zufuhrung von Verbrennungsluft oder von einem Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch auf. Im Ringkanal angeordnet befindet sich eine Drallvorrichtung zur Aufpragung eines Dralls auf eine Strömung, die das zugefuhrte Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch oder die Verbrennungsluft im Ringkanal bildet. Diese Drallvorrichtung wird auch als Drallgitter bezeichnet. Der Diffusionsbrenner des Hybridbrenners ist koaxial im Ringkanal des Vormischbrenners angeordnet. Der Diffusionsbrenner weist einen als Ringkanal ausgebildeten Verbrennungsluftzufuhrkanal auf, in dem koaxial ein Brenn- stoffzufuhrkanal angeordnet ist. Die Kanäle des Diffusionsbrenners munden in einer Düse. Weiterhin weist der Diffusionsbrenner in seinem Verbrennungsluftzufuhrkanal einen Pilotbrenner auf, welcher nur für den Betrieb des Vormischbrenners erforderlich ist. Bei einem Vormischbetrieb des Hybridbren- ners wird über den Ringkanal des Vormischbrenners ein Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch zugeführt, welches im Ringkanal eine Strömung bildet, welcher Strömung mit Hilfe des Drallgitters ein Drall aufgeprägt wird. Die drallbehaftete Strömung tritt zu einer Verbrennung aus dem Vormischbrenner aus. Die Verbrennung wird mit Hilfe der Flamme des Pilotbrenners stabilisiert. Bei einem Diffusionsbetrieb des Hybridbrenners wird über den Verbrennungsluft- und den Brennstoffzufuhrkanal des Diffusionsbrenners jeweils Verbrennungsluft, bzw. Brennstoff zu einer Mischung im Bereich der Düsen des Diffusionsbrenners zugeführt. Das bei der Mischung gebildete Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch tritt zu einer Verbrennung aus dem Diffusionsbrenner aus.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner mit einer gerin- geren Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen bei einem Einsatz in einem Verbrennungssystem anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Reduktion von Verbrennungsschwingungen anzugeben.
Erfindungsgemaß wird die auf einen Brenner gerichtete Aufgabe gelost durch einen Brenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, der eine Drallvorrichtung mit einem Abströmende aufweist, welche Drallvorrichtung so ausgebildet ist, daß der Drall in Umfangsrichtung ungleichmäßig aufgeprägt ist.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich bei einem Betrieb eines Brenners im Stromungskanal eine Strömung von Verbrennungsluft bildet, der zur Bildung eines Verbrennungs- luft/Brennstoff-Gemischs über Brennstoffeinlasse Brennstoff beigemischt wird. Die Zufuhrung von Brennstoff erfolgt vorzugsweise in eine über den Querschnitt des Stromungskanals gleichmaßige Strömung von Verbrennungsluft. Dies hat den Vorteil, daß das ortliche Mischungsverhältnis zwischen Verbrennungsluft und Brennstoff über den Querschnitt im wesentlichen gleichmaßig ist. Mit einer gleichmaßigen Mischung kann der NOx-Gehalt des Abgases, welches bei der Verbrennung des bei der Mischung gebildeten Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisches entsteht, beeinflußt werden. Bevor das Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch der Verbrennung zugeführt wird, wird vorzugsweise mit einer Drallvorrichtung der Strömung im Stromungskanal ein Drall aufgeprägt, um die Verbrennung zu stabilisieren. Dieser Drall ist über den Umfang des Stromungskanals meist gleichmaßig, um die Gleichmäßigkeit der Strömung nicht zu beeinträchtigen. Untersuchungen haben ergeben: je gleichmaßiger die Strömung eines zur Verbrennung mit einem Brenner zugefuhrten Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisches ist, um so großer ist die Wahrscheinlichkeit, daß es bei einem Betrieb des Brenners in einem Verbrennungssystem zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen kommen kann. Der Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, einen Brenner so zu gestalten, daß eine Strömung eines gebildeten Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch vor der Zufuhrung zu einer Verbrennung durch Aufpragung eines ungleichmäßigen Dralls so verungleichmaßigt wird, daß die Anregung von Verbrennungsschwingungen bei einem Betrieb des Brenners in einem Verbrennungssystem zumindest deutlich reduziert ist. Dazu wird mit Hilfe einer im Stromungskanal angeordneten Drallvorrichtung der Strömung des Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisches ein in Umfangsrichtung ungleichmäßiger Drall aufgeprägt.
Vorzugsweise weist die Drallvorrichtung mehrere Drallelemente auf, wobei jedes Drallelement eine Umlenkflache aufweist. Aufgrund der Geometrie des Stromungskanals ist eine Haupt- stromungsrichtung der Strömung des Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisches definiert, die sich abhangig von der Brennergeometrie andern kann. Die Umlenkflachen der Drallelemente weisen jeweils am Abströmende einen Abstromwinkel zur Haupt- stromungsrichtung auf, der vorzugsweise für mindestens zwei direkt benachbarte Drallelemente unterschiedlich ist. Dadurch wird erreicht, daß die Strömung nach dem Durchströmen der Drallvorrichtung in Umfangsrichtung in zumindest zwei unterschiedlichen Winkeln austritt, so daß der aufgeprägte Drall in Umfangsrichtung ungleichmäßig ist.
Weiter bevorzugt ist jedes Drallelement als eine Drallschaufel ausgebildet.
Bevorzugtermaßen bilden mehrere Drallelemente mit gleichen Abstromwinkeln eine Drallgruppe, und die Drallvorrichtung weist mindestens eine solche Drallgruppe auf. Weiter bevorzugt ist die Drallvorrichtung aus mehreren Drallgruppen gebildet, wobei benachbarte Drallgruppen unterschiedliche Abstromwinkel aufweisen. Die Drallvorrichtung kann hierbei bei- spielsweise aus sechs Drallgruppen gebildet sein, wobei jede Drallgruppe jeweils vier Drallelemente aufweisen kann.
Bevorzugterweise ist der Strömungskanal des Brenners als Ringkanal ausgebildet, wobei die Drallvorrichtung im Ringkanal angeordnet ist. Der Brenner kann beispielsweise als Hybridbrenner für eine Gasturbine ausgebildet sein.
Zur Verminderung der Menge der bei einer Verbrennung gebilde- ten NOx-Verbindungen ist es wünschenswert, zur Bildung von zur Verbrennung bestimmtem Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch Brennstoff in eine gleichmäßige Strömung von Verbrennungsluft zuzuführen. Vorzugsweise weist der Brenner dazu einen Brennstoffeinlaß auf, durch den Brennstoff in den Strö- mungskanal stromauf des Abströmendes zuführbar ist. Hierdurch wird der Brennstoff in eine vor der Drallvorrichtung gleichmäßige Strömung von im Zufuhrkanal strömender Verbrennungsluft zugeführt.
Die auf die Verwendung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Verwendung nach dem Patentanspruch 10, nach dem der Brenner in einer Gasturbine zur Verbrennung eines Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisches in einer Brennkammer verwendet wird.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach dem Patentanspruch 11. Dabei wird einer Strömung eines Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisches oder von Verbrennungsluft in einem Strömungskanal des Brenners ein in Umfangsrichtung ungleichmäßiger Drall aufgeprägt .
Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Drallvorrichtung zur Aufprägung des Dralls und das Verfahren zur Reduzierung von Verbrennungsschwingun- gen naher erläutert. Es zeigen schematisiert und teilweise nicht maßstäblich unter Darstellung der für die Erläuterung verwendeten konstruktiven und funktioneilen Merkmale:
FIG 1 ein als Hybridbrenner ausgeführter Brenner für eine Gasturbine und FIG 2 eine Ansicht der in Umfangsrichtung abgewickelten Drallelemente des Ringkanals des Vormischbrenners.
Die Bezugszeichen samtlicher Figuren haben jeweils die glei¬ che Bedeutung.
In FIG 1 ist ein als Hybridbrenner 1 ausgeführter Brenner 1 einer nicht naher dargestellten Gasturbine gezeigt. Der Hy- bridbrenner 1 weist sowohl einen Diffusionsbrenner 2, als auch einen Vormischbrenner 3 auf. Der Vormischbrenner 3 weist einen Ringkanal 4 mit einer Außenwand 16 auf, der zur Zufuhrung von Verbrennungsluft 5 oder von einem Verbrennungsluft/ Brennstoff-Gemisch 5 dient. Im Ringkanal 4 angeordnet befin- det sich eine Drallvorrichtung 6 mit einem Abströmende 12, die zur Aufpragung eines Dralls auf eine Strömung 7 dient, welche Strömung 7 das zugefuhrte Verbrennungsluft/Brennstoff- Gemisch 5 oder die Verbrennungsluft 5 im Ringkanal 4 bildet. Die Drallvorrichtung 6 wird im folgenden auch als Drallgitter 6 bezeichnet. Das Drallgitter 6 weist mehrere Drallelemente 15 auf, die jeweils als Drallschaufel ausgebildet sind. Stromauf des Abströmendes 12 sind Brennstoffeinlasse 13 angeordnet, über die Brennstoff 14 in den Ringkanal 4 zufuhrbar und somit der Verbrennungsluft 5 beimischbar ist. Der Diffu- sionsbrenner 2 des Hybridbrenners 1 ist koaxial im Ringkanal 4 des Vormischbrenners 3 angeordnet. Der Diffusionsbrenner 2 weist einen als Ringkanal ausgebildeten Verbrennungsluftzufuhrkanal 8 auf, in dem koaxial ein Brennstoffzufuhrkanal 9 angeordnet ist. Die Kanäle 8 und 9 des Diffusionsbrenners 2 munden in einer Düse 10. Weiterhin weist der Diffusionsbren- ner 2 in seinem Verbrennungsluftzufuhrkanal 8 einen Pilotbrenner 11 auf, welcher für einen Betrieb des Vormischbrenners 3 vorgesehen ist.
Bei einem Vormischbetrieb des Hybridbrenners 1 wird Verbrennungsluft 5 über den Ringkanal 4 zugeführt, die sich mit über die Brennstoffeinlasse 13 zugefuhrten Brennstoff 14 zu einem Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch mischt. Im Stromungskanal 2 bildet das Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch 5 eine Stro- mung 7 mit einer lokalen Hauptstromungsπchtung 14. Beim
Durchströmen des Drallgitters 6 wird der Strömung 7 ein in Umfangsrichtung ungleichmäßiger Drall aufgeprägt, m t dem d e Strömung 7 das Drallgitter 6 an der Abströmende 12 verlaßt und nachfolgend aus dem Ringkanal 4 austritt. Nach dem Aus- tritt erfolgt eine Zündung und Verbrennung des Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisches 5. Mit Hilfe einer Flamme des Pilotbrenners 11 wird die Verbrennung stabilisiert.
Vorteilhaft an der beschriebenen Ausgestaltung des Hybπd- brenners 1 ist, daß aufgrund des ungleichmäßigen Dralls, den die Strömung 7 des der Verbrennung zugefuhrten Verbrennungs- luft/Brennstoff-Gemischs 5 aufweist, die Abstromung aus dem Brenner selbst ungleichmäßig ist, wodurch eine Anfachung von Verbrennungsschwingungen zumindest reduziert ist. Weiterhin von Vorteil ist, daß die Strömung 7 einen Drall aufweist, mit dem die Verbrennung stabilisiert wird. Im Ringkanal 4 des Vormischbrenners bildet die Verbrennungsluft 5 stromauf des Abströmendes 12 eine gleichmaßige Strömung 7. Durch die Anordnung der Brennstoffeinlasse 13 kann der gleichmaßigen Strömung 7 der Verbrennungsluft 5 stromauf Brennstoff 14 zugeführt und beigemischt werden, wodurch eine gleichmaßige Mischung zwischen Verbrennungsluft 5 und Brennstoff 14 erreicht werden kann. Hierdurch ist eine Verkleinerung der bei der Verbrennung gebildeten Menge von NOx-Verbindungen möglich. In Analogie zur Ausbildung des Drallgitters 6 des Vormischbrenners 3 kann ein im Verbrennungsluftzufuhrkanal 8 angeordnetes Drallgitter so ausgeführt sein, daß damit auf eine sich im Verbrennungsluftzufuhrkanal 8 ausbildende Strömung ein in Umfangsrichtung ungleichmäßiger Drall aufprägbar ist.
In FIG 2 ist eine Ansicht der in Umfangsrichtung abgewickelten Drallelemente 15 des Ringkanals 4 des Vormischbrenners 3 dargestellt, wobei als Blickrichtung die in FIG 1 dargestell- te Richtung 17 senkrecht zur Außenwand 16 des Ringkanals 4 gewählt ist. Die Drallelemente 15 weisen jeweils eine Umlenkfläche 18 auf. Die Umlenkflächen 18 bilden mit der lokalen Hauptströmungsrichtung 14 (siehe auch FIG 1) jeweils einen Abströmwinkel α. Die Umlenkflächen 18 zweier benachbarter Drallelemente 20 und 21 weisen unterschiedliche Abströmwinkel cxi und α2 auf. Hierdurch verläßt die Strömung 7 das Drallgitter 6 am Abströmende 12 mit einem in Umfangsrichtung ungleichmäßig aufgeprägten Drall. Die Drallelemente 20 und die Drallelemente 21 sind dabei jeweils zu einer Drallgruppe zu- sammengefaßt , die den Abströmwinkel oci bzw. α2 aufweisen.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch einen Brenner, bei dem in einer Strömung Verbrennungsluft oder ein Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch einer Verbrennung zugeführt wird, wo- bei der Strömung ein in Umfangsrichtung ungleichmäßiger Drall aufgeprägt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Brenner (1), mit einem Stromungskanal (4) zur Zufuhrung einer Strömung (7) aus Verbrennungsluft (5) oder aus einem Verbrennungsluft/ Brennstoff-Gemisch (5), wobei im Stromungskanal (4) eine Drallvorrichtung (6) zur Aufpragung eines Dralls auf d e Strömung (7) vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Drallvorrichtung ein Abströmende (12) aufweist und für die Aufpra- gung eines in Umfangsrichtung ungleichmäßigen Dralls 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 aufgrund der Geometrie des Stromungskanals (4) eine lokale Hauptstro- mungsrichtung (14) definiert ist und die Drallvorrichtung (6) Drallelemente (15) mit einer jeweiligen Umlenkflache (18) aufweist, welche Umlenkflache (18) jeweils am Abströmende (12) einen Abstromwinkel (α) zur Hauptstromungsrichtung (14) aufweist, wobei die Abstromwinkel (α) von zumindest zwei direkt benachbarten Drallelementen (15) unterschiedlich sind.
3. Brenner (1) nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jedes Drallelement (15) als eine Drallschaufel ausgebildet ist.
4. Brenner (1) nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Drallvorrichtung (6) eine Drallgruppe (20 bzw. 21), gebildet aus mehreren Drallelementen (15) mit gleichen Abstromwmkeln (αi bzw. (α2) aufweist .
5. Brenner (1) nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Drallvorrichtung aus mehreren Drallgruppen (20,21) gebildet ist, wobei benachbarte Drallgruppen (20,21) unterschiedliche Ab- strömwinkel (otι,α2) aufweisen.
6. Brenner (1) nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Drall¬ vorrichtung (6) sechs Drallgruppen mit jeweils vier Drallele- menten aufweist.
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 Strömungskanal (4) als Ringkanal ausgebildet ist.
8. Brenner (1) nach Anspruch 7, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Ausführung als Hybridbrenner (1) für eine Gasturbine.
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 Brennstoff durch einen Brennstoffeinlaß (13) in den Strömungskanal (4) stromauf des Abströmendes (12) zuführbar ist.
10. Verwendung eines Brenners (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Gasturbinenanlage.
11. Verfahren zur Reduzierung von Verbrennungsschwingungen beim Betrieb eines Brenners (1) in einem Verbrennungsystem, bei dem einer Strömung (7) eines Verbrennungsluft/Brennstoff- Gemischs (5) oder von Verbrennungsluft (5) in einem Strömungskanal (4) des Brenners (1) ein in Umfangsrichtung ungleichmäßiger Drall aufgeprägt wird.
PCT/DE1999/000614 1998-03-20 1999-03-08 Brenner und verfahren zur reduzierung von verbrennungsschwingungen beim betrieb WO1999049264A1 (de)

Priority Applications (4)

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