WO2000049337A1 - Brenneranordnung und verfahren zum betrieb einer brenneranordnung - Google Patents

Brenneranordnung und verfahren zum betrieb einer brenneranordnung Download PDF

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WO2000049337A1
WO2000049337A1 PCT/EP2000/000846 EP0000846W WO0049337A1 WO 2000049337 A1 WO2000049337 A1 WO 2000049337A1 EP 0000846 W EP0000846 W EP 0000846W WO 0049337 A1 WO0049337 A1 WO 0049337A1
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swirl
burner
pilot
premixing
combustion chamber
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PCT/EP2000/000846
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Holger Streb
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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
    • F23D2210/00—Noise abatement

Definitions

  • the invention relates to a burner arrangement with at least two burners.
  • the invention further relates to a method for operating a burner arrangement.
  • thermoacoustic vibrations which are also called combustion vibrations.
  • combustion vibrations which not only represent an undesirable sound source, but can also lead to impermissibly high mechanical loads on the combustion chamber.
  • thermoacoustic oscillation is actively damped in that the location of the heat release fluctuation associated with the combustion is controlled by injecting a fluid.
  • EP 0 561 591 A2 shows a swirl grille arrangement for the burner of a gas turbine.
  • An outer and an inner swirl grid serve to stabilize the combustion.
  • the gas turbine burner is operated in a premix mode in the area of a full load of the gas turbine.
  • combustion air and fuel are first mixed and then burned.
  • the premix operation is characterized by a lean and even mixture of fuel and combustion air. This ensures an even temperature distribution, which results in low nitrogen oxide emissions.
  • the object of the invention is to provide a burner arrangement with favorable properties with regard to the avoidance of thermoacoustic vibrations. Another object of the invention is to provide a corresponding method for operating a burner arrangement.
  • the object directed to a burner arrangement is achieved by a burner arrangement with a first burner and with a second burner, in which
  • a second fuel gas stream with a second swirl can be generated by the second burner, wherein • The first burner and the second burner are adjacent to each other so that their combustible fuel gas flows penetrate in a contact area and
  • the invention is based on the knowledge that two adjacent burners, in which the respective fuel gas flows are in contact with one another, lead to the formation of shear zones with high speed gradients between the individual swirl flows of the fuel gas flows.
  • shear zones are areas of high turbulence.
  • This can induce or amplify burner chamber vibrations.
  • Due to the opposite direction of rotation of the swirl in the first and in the second fuel gas stream the fuel gas streams no longer flow against each other in the contact area, i.e. the intensity of the shear zone is greatly reduced. This reduces the tendency to form thermoacoustic vibrations.
  • the burner arrangement preferably has a plurality of burners, one of these burners being adjacent to another of these burners in accordance with the above embodiment, the swirl directions of these burners being in each case opposite to one another.
  • At least one of the burners preferably has:
  • premixing swirl generator for generating a premixing swirl, which is the first or second swirl
  • pilot swirling generator for generating a pilot swirl
  • the premixing twist is preferably opposite the pilot twist.
  • Both or all burners are preferably designed in this way.
  • Such a burner arrangement corresponds to an embodiment of the two burners in accordance with the configuration explained above with a pilot stream which has a swirl opposite to the premixing stream.
  • the problem of an induced thermoacoustic oscillation in a shear zone between two fuel gas streams is thus countered by the fact that, on the one hand, opposite flows within a total combustible gas stream of a burner reduce swirl due to increased turbulence and, on the other hand, the same orientation of the swirl of two total combustible gas streams of different from one another neighboring torches a reduction in the intensity of the shear zone occurs.
  • thermoacoustic oscillation is achieved both by a targeted intensification of the shear zones and by a targeted weakening of the shear zones.
  • a middle area of an intensity of the shear zones is thus avoided in a targeted manner, since this area particularly favors the formation of a thermoacoustic oscillation.
  • the burners are preferably arranged in a common combustion chamber. It is further preferred to design the combustion chamber as an annular combustion chamber.
  • the burner arrangement is preferably designed for a gas turbine.
  • a combustion chamber in particular in an annular combustion chamber, the interaction of the power release during combustion and the acoustics of the combustion chamber can lead to a thermoacoustic see vibration coming, also referred to as combustion chamber vibrations.
  • a plurality of burners can also be arranged in one combustion chamber.
  • the respective swirl of the fuel gas flow of each burner is preferably directed against the swirl of the fuel gas flow of a burner directly adjacent to it.
  • a plurality of burners are arranged along a circumferential direction.
  • a burner that generates a fuel gas stream with an opposite swirl is directly adjacent to a burner that generates a fuel gas stream with a predetermined swirl.
  • the swirl directions of the fuel gas flows thus change along the circumferential direction of the ring combustion chamber.
  • the object directed to a method is achieved by a method for operating a burner arrangement in which a first swirl gas flow is given a first swirl and a second swirl gas flow is given a second swirl, the first fuel gas flow in a contact region partially passing the second fuel gas flow next to it with the first twist directed in opposite directions to the second twist.
  • the advantages of such a method result from the above explanations regarding the advantages of the burner arrangement.
  • the first fuel gas stream and the second fuel gas stream are preferably conducted in a combustion chamber, in particular in an annular combustion chamber of a gas turbine.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a gas turbine burner
  • FIG. 2 shows a top view of the gas turbine burner of FIG. 1, Figures 3 and 4, a burner arrangement with two burners, and
  • Figure 5 shows a gas turbine with an annular combustion chamber.
  • FIG. 1 shows a gas turbine burner 1 in a longitudinal section.
  • the gas turbine burner 1 is rotationally symmetrical about a burner axis 3.
  • a pilot burner duct 5 is directed along the burner axis 3.
  • the pilot burner channel 5 is surrounded by an annular channel-shaped premixing channel 7 concentric with the burner axis 3.
  • Pilot swirl generators 9 are arranged in the pilot burner duct 5.
  • Premixing swirl generators 11 are arranged in the premixing channel 7.
  • the pilot or pre-mix twist generators 9, 11 can e.g. Be twist scoops.
  • a premix flow 13 is conducted in the premix channel 7.
  • This premix stream 13 consists of combustion air and this admixed fuel, e.g. Natural gas or petroleum.
  • the fuel can e.g.
  • premixing channel 7 can be introduced into the premixing channel 7 from tubes or nozzles, not shown.
  • the premix stream 13 is fed to a combustion zone 12.
  • a pilot stream 17 is conducted to the combustion zone 12 in the pilot burner duct 5.
  • a premixing twist 15 is generated by means of the premixing swirl generator 11.
  • a pilot swirl 19 is generated in the pilot stream 17 by the pilot swirl generator 9.
  • the premixing swirl 15 is opposite to the pilot swirl 19. This is explained in more detail with reference to FIG. 2.
  • FIG. 2 shows a top view of the gas turbine burner 1 from FIG. 1.
  • the premixing stream 13 is given the premixing swirl 15, which corresponds to a rotation of the premixing stream 13 in a premixing direction of rotation 16 with respect to the burner axis 3.
  • the pilot stream 17 is given the pilot swirl 19, which corresponds to a rotation of the pilot stream 17 along a direction of diffusion 14.
  • the premix swirl 15 is the pilot swirl 16 opposed.
  • a very intensive shear zone 22 is thus formed between the premix stream 13 and the pilot stream 17. This results in a swirl reduction. Due to the particularly high turbulence in the shear zone 22, macroscopic vortices, which are primarily the starting point for thermoacoustic vibrations from such shear zones 22, no longer occur.
  • the gas turbine burner 1 has particularly favorable properties with regard to the avoidance of thermoacoustic vibrations. Particularly efficient in terms of avoiding thermoacoustic
  • vibration is a burner arrangement as shown in FIGS. 3 and 4:
  • FIG. 3 shows a top view of a burner arrangement 18 with a first burner 1A and a second burner IB directly adjacent to the first burner 1A.
  • the burners 1A and 1B are essentially identical in construction and correspond in their construction to the gas turbine burner 1 from FIG. 2.
  • the swirl generators (not shown here) of the burners 1A, 1B are designed such that the premixing swirl 15A of the premixing stream 13A of the first burner 1A corresponds to the premixing swirl 15B of the premix flow 13B of the second burner 1B is opposite.
  • the premix currents 13A, 13B are rectified in their flow direction in a contact region 20 in which they partially penetrate one another.
  • thermoacoustic vibrations Due to the low intensity of the shear zone achieved here, the burner arrangement 18 has a particularly low tendency to form thermoacoustic vibrations.
  • a premixing swirl 15A, 15B in the respective premixing stream 13A, 13B is reduced for each burner 1A, 1B by rotating the pilot streams 17A, 17B with respect to the premixing streams 13A, 13B. This has a further reduction in turbulence formation in the contact area 20 and thus a further further reduction of the tendency to form thermoacoustic vibrations.
  • a burner arrangement 18 corresponding to FIG. 3 is shown in FIG. The only difference is that the pilot stream 17A, 17B rotates in the same direction as the respective premix stream 13A, 13B. However, there may be different swirl speeds. A corresponding burner arrangement 18 without a pilot burner is also conceivable.
  • FIG. 4 schematically shows a gas turbine 21.
  • a compressor 25, an annular combustion chamber 27 and a turbine 29 are directed along a turbine axis 23.
  • the annular combustion chamber 27 is formed by an inner wall 31 and an outer wall 33. See between the inner wall 31 and outer wall 33 is an annular
  • a plurality of burners 1A, IB open as a burner arrangement 18 in the annular combustion chamber 27 along a circumferential direction 37 of the annular combustion chamber 27.
  • Each burner 1A, IB generates a respective fuel gas stream 13A, 13B with a swirl 15A, 15B, fuel gas streams 13A, 13B each penetrating directly adjacent burners in a contact area 20.
  • the swirl 15A, 15B is directed opposite for two immediately adjacent burners 1A, IB. Between two immediately adjacent burners 1A, IB, the direction of flow of the fuel gas streams in the respective contact areas in which they touch each other avoids the formation of a shear zone. This has the advantages described above with regard to avoiding the formation of thermoacoustic vibrations.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung (18) aus mindestens zwei Brennern (1A, 1B), die jeweils einen Brenngasstrom (13A, 13B) erzeugen, wobei diesen Brenngasströmen (13A, 13B) ein zueinander gegensinniger Drall (15A, 15B) erteilt wird. Durch diese Massnahmen werden Scherzonen zwischen den Brenngasströmen (13A, 13B) so beeinflusst, dass sich eine geringe Neigung zur Ausbildung thermoakustischer Schwingungen ergibt.

Description

Beschreibung
Brenneranordnung und Verfahren zum Betrieb einer Brenneranordnung
Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung mit mindestens zwei Brennern. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Brenneranordnung.
In der DE 43 39 094 AI ist ein Verfahren zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in der Brennkammer einer Gasturbine beschrieben. Bei der Verbrennung von Brennstoffen in der Brennkammer einer stationären Gasturbine, eines Flugzeugtriebwerkes oder dergleichen kann es aufgrund der Verbren- nungsvorgänge zu Instabilitäten oder Druckschwankungen kommen, die unter ungünstigen Verhältnissen thermoakustische Schwingungen anregen, die auch Verbrennungsschwingungen genannt werden. Diese stellen nicht nur eine unerwünschte Schallquelle dar, sondern können auch zu unzulässig hohen me- chanischen Belastungen der Brennkammer führen. Eine solche thermoakustische Schwingung wird aktiv dadurch gedämpft, daß durch Eindüsen eines Fluides der Ort der mit der Verbrennung verbundenen Wärmefreisetzungsschwankung gesteuert wird.
Die EP 0 561 591 A2 zeigt eine Drallgitteranordnung für den Brenner einer Gasturbine. Ein äußeres und ein inneres Drallgitter dienen einer Stabilisierung der Verbrennung. Zur Erzielung geringer Stickoxidemissionen wird der Gasturbinenbrenner im Bereich einer Vollast der Gasturbine in einem Vor- mischbetrieb betrieben. Bei einem solchen Vormischbetrieb werden Verbrennungsluft und Brennstoff erst vermischt und anschließend verbrannt. Der Vormischbetrieb zeichnet sich durch eine magere und gleichmäßige Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft aus. Dadurch wird eine gleichmäßige Temperatur- Verteilung erreicht, was eine niedrige Stickoxidemission zur Folge hat. Nachteiligerweise ergibt sich aber ein eingeschränkter Regelbereich für den Vormischbetrieb. Insbesondere bei niedrigen Lasten ist durch einen sehr niedrigen Brennstoffgehalt ein stabiler Vormischbetrieb kaum aufrecht zu erhalten. Hier wird aus diesem Grund ein Diffusionsbetrieb eingestellt, es findet also keine vorherige Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft statt. Eine Verbrennung des Diffusionsbrennstoffs in der gesamten Verbrennungsluft erweist sich als ineffizient und ergibt hohe Schadstoffemissionen. Deswegen wird ein Diffusionsbetrieb über eine Eindüsung von Brennstoff in den Bereich des inneren Drallgitters einge- stellt. Die drallerzeugenden Elemente des inneren Bereichs bewirken gegenüber den drallerzeugenden Elementen des äußeren Bereichs einen entgegengesetzten Drall in der Brenngasströmung. Durch diesen entgegengesetzten Drall ergibt sich ein innerer Brenngasstrom, welcher von einem ihn umgebenden äuße- ren Brenngasstrom isoliert ist, d.h. es findet nahezu kein Austausch zwischen diesen Brenngasströmen statt. Durch eine Verbrennung in der geringen Menge an Verbrennungsluft des inneren Brenngasstromes findet eine weitgehend vollständige Verbrennung statt. Durch die Aufteilung der Drallgitters wird also in einem einzigen Kanal ein Vormisch- und Diffusionsbetrieb gleichzeitig möglich.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Brenneranordnung mit günstigen Eigenschaften hinsichtlich der Vermeidung thermoakustischer Schwingungen. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb einer Brenneranordnung anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Brenneranordnung gerichtete Aufgabe gelöst durch eine Brenneranordnung mit einem ersten Brenner und mit einem zweiten Brenner, bei der
• durch den ersten Brenner ein erster Brenngasstrom mit einem ersten Drall und
• durch den zweiten Brenner ein zweiter Brenngasstrom mit einem zweiten Drall erzeugbar ist, wobei • der erste Brenner und der zweite Brenner zueinander so benachbart sind, daß sich ihre erzeugbaren Brenngasströme in einem Kontaktbereich durchdringen und
• wobei der erste Drall zum zweiten Drall gegensinnig ge- richtet ist.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß bei zwei zueinander benachbarten Brennern, bei denen die jeweiligen Brenngasströme miteinander in Kontakt sind, es zur Ausbildung von Scherzonen mit hohen Geschwindigkeitsgradienten zwischen den einzelnen Drallströmungen der Brenngasströme kommt. Solche Scherzonen sind Bereiche hoher Turbulenz. Es findet eine starke Wirbelbildung und -ablösung statt, so daß durch Einmischung heißer Rauchgase in die Scherzonen eine ver- stärkte Freisetzung von Reaktionswärme auftritt. Dies kann Brennerkammerschwingungen induzieren oder diese verstärken. Durch die gegensinnige Drehrichtung des Dralls im ersten und im zweiten Brenngasstrom kommt es im Kontaktbereich nicht mehr zu einem wesentlichen Gegeneinanderströmen der Brenn- gasströme, d.h. die Intensität der Scherzone wird stark verringert. Damit wird die Neigung zur Ausbildung von thermoaku- stischen Schwingungen vermindert.
Vorzugsweise weist die Brenneranordnung mehrere Brenner auf wobei jeweils einer dieser Brenner zu einem anderen dieser Brenner gemäß obiger Ausführung benachbart ist, wobei die Drallrichtungen dieser Brenner jeweils einander entgegengesetzt sind.
Bevorzugt weist mindestens einer der Brenner auf:
• einen Vormischkanal und
• einen vom Vormischkanal umgebenen Pilotbrennerkanal, wobei
• im Vormischkanal Vormischdrallerzeuger zur Erzeugung eines Vormischdralls, der der erste bzw. zweite Drall ist, und • im Pilotbrennerkanal Pilotdrallerzeuger zur Erzeugung eines Pilotdralles, in einem durch den Pilotbrennerkanal strömenden Pilotstrom angeordnet sind. Vorzugsweise ist der Vormischdrall dem Pilotdrall entgegengesetzt. Hierdurch erfolgt integral durch Dissipation ein Drallabbau, so daß weniger makroskopische Wirbel entstehen, die in erster Linie thermoakustische Schwingungen verursachen können. Die noch intensivere Wirbelbildung hat also eine Reduktion von Ausgangspunkten für thermoakustische Schwingungen zur Folge, wodurch die Neigung zur Ausbildung solcher thermoakustischer Schwingungen reduziert wird.
Vorzugsweise sind beide oder alle Brenner in dieser Weise ausgebildet. Eine solche Brenneranordnung entspricht einer Ausführung der beiden Brenner gemäß der oben erläuterten Ausgestaltung mit einem Pilotstrom, der einen zum Vormischstro entgegengesetzten Drall aufweist. Der Problematik einer indu- zierten thermoakustischen Schwingung in einer Scherzone zwischen zwei Brenngasströmen wird also dadurch begegnet, daß einerseits durch entgegengesetzte Strömungen innerhalb eines Gesamtbrenngasstroms eines Brenners ein Drallabbau durch eine verstärkte Turbulenz erfolgt und andererseits durch die gleichsinnige Ausrichtung des Dralls zweier Gesamtbrenngasströme von unterschiedlichen, zueinander benachbarten Brennern eine Verringerung der Intensität der Scherzone eintritt. Mit anderen Worten: Die Neigung zur Ausbildung einer thermoakustischen Schwingung wird sowohl durch eine gezielte Intensivierung der Scherzonen als auch durch eine gezielte Abschwächung der Scherzonen erreicht. Ein mittlerer Bereich einer Intensität der Scherzonen wird also gezielt vermieden, da dieser Bereich die Ausbildung einer thermoakustischen Schwingung besonders begünstigt.
Bevorzugtermaßen sind die Brenner in einer gemeinsamen Brennkammer angeordnet. Weiter bevorzugt ist, die Brennkammer als Ringbrennkammer auszuführen. Bevorzugtermaßen ist die Brenneranordnung für eine Gasturbine ausgelegt. In einer Brenn- kammer, insbesondere in einer Ringbrennkammer, kann es durch die Wechselwirkung der Leistungsfreisetzung bei der Verbrennung und der Akustik der Brennkammer zu einer thermoakusti- sehen Schwingung kommen, hier auch als Brennkammerschwingungen bezeichnet. In einer Brennkammer können auch mehrere Brenner angeordnet sein. Vorzugsweise ist dabei der jeweilige Drall des Brenngasstroms jedes Brenners jeweils entgegen dem Drall des Brenngasstroms eines zu ihm unmittelbar benachbarten Brenners gerichtet. Zum Beispiel sind bei einer Ringbrennkammer eine Vielzahl von Brennern entlang einer Umfangs- richtung angeordnet. Einem Brenner, der einen Brenngasstrom mit einem vorgegebenen Drall erzeugt, ist ein Brenner unmit- telbar benachbart, der einen Brenngasstrom mit entgegengesetztem Drall erzeugt. Die Drallrichtungen der Brenngasströme wechseln also entlang der Umfangsrichtung der Ringbrennkammer.
Erfindungsgemäß wird die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brenneranordnung, bei dem einem ersten Brenngasstrom ein erster Drall und einem zweiten Brenngasstrom ein zweiter Drall erteilt wird, wobei der erste Brenngasstrom in einem Kontaktbereich den zweiten Brenngasstrom teilweise durchdringend neben diesem geführt wird, wobei der erste Drall zum zweiten Drall gegensinnig gerichtet ist.
Die Vorteile eines solchen Verfahrens ergeben sich entspre- chend den obigen Ausführungen zu den Vorteilen der Brenneranordnung. Vorzugsweise werden der erste Brenngasstrom und der zweite Brenngasstrom in einer Brennkammer, insbesondere in einer Ringbrennkammer einer Gasturbine, geführt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen teilweise schematisch und nicht maßstäblich:
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Gasturbinenbrenner,
Figur 2 eine Aufsicht auf den Gasturbinenbrenner der Figur 1, Figur 3 und 4 eine Brenneranordnung mit zwei Brennern, und
Figur 5 eine Gasturbine mit einer Ringbrennkammer.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche- Bedeutung.
Figur 1 zeigt einen Gasturbinenbrenner 1 in einem Längs- schnitt. Der Gasturbinenbrenner 1 ist rotationssymmetrisch um eine Brennerachse 3. Entlang der Brennerachse 3 ist ein Pilotbrennerkanal 5 gerichtet. Der Pilotbrennerkanal 5 wird von einem ringkanalförmigen Vormischkanal 7 konzentrisch zur Brennerachse 3 umgeben. Im Pilotbrennerkanal 5 sind Pilot- drallerzeuger 9 angeordnet. Im Vormischkanal 7 sind Vormisch- drallerzeuger 11 angeordnet. Die Pilot- bzw. Vormischdraller- zeuger 9, 11 können z.B. Drallschaufeln sein. Im Vormischkanal 7 wird ein Vormischstrom 13 geführt. Dieser Vormischstrom 13 besteht aus Verbrennungsluft und dieser zugemischtem Brennstoff, z.B. Erdgas oder Erdöl. Der Brennstoff kann z.B. aus nicht dargestellten Röhrchen oder Düsen in den Vormischkanal 7 eingeleitet werden. Der Vormischstrom 13 wird zu einer Verbrennungszone 12 geführt. Im Pilotbrennerkanal 5 wird ein Pilotstrom 17 zur Verbrennungszone 12 geführt. Im Vor- mischstrom 7 wird mittels der Vormischdrallerzeuger 11 ein Vormischdrall 15 erzeugt. Im Pilotstrom 17 wird ein Pilotdrall 19 durch die Pilotdrallerzeuger 9 erzeugt. Der Vormischdrall 15 ist dem Pilotdrall 19 entgegengesetzt. Dies wird näher anhand von Figur 2 erläutert.
Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf den Gasturbinenbrenner 1 aus Figur 1. Dem Vormischstrom 13 wird der Vormischdrall 15 erteilt, welcher einer Rotation des Vormischstroms 13 in einem Vormischdrehsinn 16 bezüglich der Brennerachse 3 entspricht. Dem Pilotstrom 17 wird der Pilotdrall 19 erteilt, welcher einer Rotation des Pilotstroms 17 entlang einem Diffusionsdrehsinn 14 entspricht. Der Vormischdrall 15 ist dem Pilotdrall 16 entgegengerichtet. Zwischen dem Vormischstrom 13 und dem Pilotstrom 17 kommt es somit zur Ausbildung einer sehr intensiven Scherzone 22. Dies hat einen Drallabbau zur Folge. Durch die besonders hohe Turbulenz in der Scherzone 22 kommt es weiterhin nicht mehr zur Ausbildung makroskopischer Wirbel, die primär Ausgangspunkt für thermoakustische Schwingungen aus solchen Scherzonen 22 sind. Dadurch weist der Gasturbinenbrenner 1 besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich der Vermeidung thermoakustischer Schwingungen auf. Besonders effizient hinsichtlich der Vermeidung thermoakustischer
Schwingungen ist aber eine Brenneranordnung, wie sie in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist:
Figur 3 zeigt eine Aufsicht auf eine Brenneranordnung 18 mit einem ersten Brenner 1A und einem dem ersten Brenner 1A unmittelbar benachbarten zweiten Brenner IB. Die Brenner 1A und 1B sind im wesentlichen baugleich und entsprechen in ihrem Aufbau dem Gasturbinenbrenner 1 aus Figur 2. Die hier nicht dargestellten Drallerzeuger der Brenner 1A, 1B sind so ausge- führt, daß der Vormischdrall 15A des Vormischstroms 13A des ersten Brenners 1A dem Vormischdrall 15B des Vormischstroms 13B des zweiten Brenners 1B entgegengesetzt ist. Dadurch sind die Vormisehströme 13A, 13B in einem Kontaktbereich 20, in dem sie sich teilweise durchdringen, in ihrer Strömungsrich- tung gleichgerichtet. Dies führt zur Vermeidung der Ausbildung einer Scherzone oder allenfalls zu einer Scherzone geringer Intensität. In einer Scherzone hoher Intensität würden erhebliche Turbulenzen hervorgerufen werden. Durch die hier erzielte geringe Intensität der Scherzone ergibt sich für die Brenneranordnung 18 eine besonders geringe Neigung zur Ausbildung thermoakustischer Schwingungen. Zusätzlich wird für jeden Brenner 1A, 1B durch eine jeweilige gegensinnige Rotation der Pilotströme 17A, 17B gegenüber den Vormischströmen 13A, 13B ein Vormischdrall 15A, 15B im jeweiligen Vor isch- ström 13A, 13B abgebaut. Dies hat eine weitere Verringerung von Turbulenzbildung im Kontaktbereich 20 und damit eine wei- tere Herabsetzung der Neigung zur Ausbildung thermoakustischer Schwingungen zur Folge.
In Figur 4 ist eine der Figur 3 entsprechende Brenneranordnung 18 gezeigt. Unterschiedlich ist nur, daß jeweils der Pilotstrom 17A, 17B gleichsinnig zum jeweiligen Vormischstrom 13A, 13B dreht. Dabei können aber unterschiedliche Drallgeschwindigkeiten vorliegen. Es ist weiterhin auch eine entsprechende Brenneranordnung 18 ohne Pilotbrenner denkbar.
Figur 4 zeigt schematisch eine Gasturbine 21. Entlang einer Turbinenachse 23 sind ein Verdichter 25, eine Ringbrennkammer 27 und eine Turbine 29 gerichtet. Die Ringbrennkammer 27 ist durch eine Innenwand 31 und eine Außenwand 33 gebildet. Zwi- sehen Innenwand 31 und Außenwand 33 liegt ein ringörmiger
Brennraum 35. Entlang einer Umfangsrichtung 37 der Ringbrennkammer 27 münden als Brenneranordnung 18 in Ringbrennkammer 27 eine Vielzahl von Brennern 1A, IB. Dabei wird durch jeden Brenner 1A, IB ein jeweiliger Brenngasstrom 13A, 13B mit ei- nem Drall 15A, 15B erzeugt, wobei sich Brenngasströme 13A, 13B jeweils unmittelbar benachbarter Brenner in einem Kontaktbereich 20 durchdringen. Der Drall 15A, 15B ist jeweils für zwei ummittelbar benachbarte Brenner 1A, IB entgegengesetzt gerichtet. Zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbar- ten Brennern 1A, IB ergibt sich somit durch eine gleichsinnige Strömungsrichtung der Brenngasströme in jeweiligen Kontaktbereichen, in denen sie sich berühren, eine Vermeidung der Ausbildung einer Scherzone. Dies hat die oben beschriebenen Vorteile hinsichtlich der Vermeidung der Ausbildung ther- moakustischer Schwingungen.

Claims

Patentansprüche
1. Brenneranordnung (18) mit einem ersten Brenner (1A) und mit einem zweiten Brenner (IB), bei der • durch den ersten Brenner (1A) ein erster Brenngasstrom (13A) mit einem ersten Drall (15A) und
• durch den zweiten Brenner (IB) ein zweiter Brenngasstrom (13B) mit einem zweiten Drall (15B) erzeugbar ist, wobei
• der erste Brenner (1A) und der zweite Brenner (IB) zueinan- der so benachbart sind, daß sich ihre erzeugbaren Brenngasströme (13A, 13B) in einem Kontaktbereich (20) durchdringen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der erste Drall (15A) zum zweiten Drall (15B) gegensinnig gerichtet ist.
2. Brenneranordnung (18) nach Anspruch 1, bei der mindestens einer der Brenner (1A, IB) aufweist:
• einen Vormischkanal (7) und • einen vom Vormischkanal (7) umgebenen Pilotbrennerkanal (5) , wobei
• im Vormischkanal (7) Vormischdrallerzeuger (11) zur Erzeugung eines Vormischdralls (15), der der erste bzw. zweite Drall (15A, 15B) ist, und im Pilotbrennerkanal (5) Pilotdrallerzeuger (9) zur Erzeugung eines Pilotdralles (19), in einem durch den Pilotbrennerkanal (5) strömenden Pilotstrom (17) angeordnet sind.
3. Brenneranordnung (18) 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 der
Vormischdrall (15) dem Pilotdrall (16) entgegengesetzt ist.
4. Brenneranordnung (18) nach Anspruch 1, 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 Brenner (1A, IB) in einer gemeinsamen Brennkammer (27) angeordnet sind.
5. Brenneranordnung (18) 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 Brennkammer (27) als Ringbrennkammer ausgeführt ist.
6. Brenneranordnung (18) nach Anspruch 4 oder 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Auslegung für eine Gasturbine (21) .
7. Verfahren zum Betrieb einer Brenneranordnung (18), bei dem einem ersten Brenngasstrom (13A) ein erster Drall (15A) und einem zweiten Brenngasstrom (13B) ein zweiter Drall (15B) erteilt wird, wobei der erste Brenngasstrom (13A) in einem Kontaktbereich (20) in Kontakt mit dem zweiten Brenngasstrom (13B) neben diesem geführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der erste Drall (15A) zum zweiten Drall (15B) gegensinnig gerichtet ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der erste Brenngasstrom (13A) und der zweite Brenngasstrom (13B) in eine Brennkammer (27) , insbesondere in eine Ringbrennkammer (27), eingeleitet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Brennkammer (27) als Gasturbinenbrennkammer ausgeführt ist.
PCT/EP2000/000846 1999-02-16 2000-02-02 Brenneranordnung und verfahren zum betrieb einer brenneranordnung WO2000049337A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP99103057.8 1999-02-16
EP99103057 1999-02-16

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