WO2001096785A1

WO2001096785A1 - Verfahren zum betrieb eines brenners sowie brenner mit gestufter vormischgas-eindüsung

Info

Publication number: WO2001096785A1
Application number: PCT/IB2001/001129
Authority: WO
Inventors: Adnan Eroglu; Jaan Hellat; Peter Stuber
Original assignee: Alstom (Switzerland) Ltd
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2001-12-20
Also published as: JP4625609B2; AU2001272682A1; JP2004507701A; US20030152880A1; EP1292795B1; EP1292795A1; US6769903B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners, der wenigstens eine erste Brennstoffzuführung (5) mit einer ersten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung einer Brennerachse (3) angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen (6) für eine erste Vormischbrennstoffmenge und eine oder mehrere zweite Brennstoffzuführungen (7) mit einer zweiten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse (3) angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen (8) für eine zweite Vormischbrennstoffmenge umfasst, wobei die zweiten Brennstoffzuführungen (7) unabhängig von der ersten Brennstoffzuführung (5) mit Brennstoff beaufschlagbar ist/sind. Beide Brennstoffzuführungen (5, 7) werden bei dem Verfahren mit dem gleichen Brennstoff betrieben. Mit dem vorliegenden Verfahren zum Betrieb eines Brenners lassen sich optimale Mischbedingungen auch bei unterschiedlichen Lasten, Gasqualitäten oder Gasvorwärmtemperaturen einstellen.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Brenners sowie Brenner mit gestufter Vormischgas-Eindüsung

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners, der zumindest eine erste BrennstoffZuführung mit einer ersten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse angeordneten Brennstoff-Austrittsδffnungen für das Einbringen einer ersten Vormischbrennstoffmenge in einen Drallraum und eine oder mehrere zweite Brennstoffzufuhrungen mit einer zweiten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse angeordneten Brennstoff- Austrittsöffnungen aufweist, wobei die zweiten Brenn- stoffZuführungen unabhängig von der ersten Brennstoffzuführung mit Brennstoff beaufschlagbar ist/sind. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Brenner, der mit dem Verfahren vorteilhaft betrieben werden kann. Ein bevorzugtes, Einsatzgebiet für derartige Brenner sind die Brennräume von Gasturbinen; derartige Brenner werden weiterhin beispielsweise auch in atmosphärischen Kesselfeuerungen eingesetzt.

Stand der Technik

Aus der EP 0 321 809 ist ein aus mehreren Schalen bestehender kegelförmiger Brenner, ein sogenannter Doppelkegelbrenner, gemäß dem Oberbegriff des Anspru- ches 1 bekannt. Durch den kegelförmigen aus mehreren Schalen zusammengesetzten Drallerzeuger wird eine Drallströmung in dem von den Teilkegelschalen eingeschlossenen Kegelinnenraum erzeugt. Aufgrund eines Querschnittssprungs an einem brennraumseitigen Ende des Brenners wird die Drallströmung instabil, und geht in eine annulare Drallströmung' mit Rückströmung im Kern über. Diese Rückströmung ermöglicht die Stabilisierung einer Flammenfront am Brenneraustritt . Die Schalen des Drallerzeugers sind derart zusammengesetzt, dass entlang der Brennerachse tangentiale Lufteintritts- schlitze für Verbrennungsluft gebildet werden. An der hierdurch gebildeten Einströmkante der Kegelschalen sind Zuführungen für einen gasförmigen Vormischbrenn- stoff, vorgesehen, die in Richtung der Brennerachse verteilte Austrittsδffnungen für das Vormischgas aufweisen. Das Gas wird durch die Austrittsöffnungen bzw. Bohrungen quer zum Lufteintrittsspalt eingedüst. Diese Eindüsung führt in Verbindung mit dem im Drall- räum erzeugten Drall der Verbrennungsluft-Brenngas- Strömung zu einer guten Durchmischung des Brenn- bzw.

Vormischgases mit der Verbrennungsluft. Eine gute Durchmischung ist bei derartigen Vormischbrennern die Voraussetzung für niedrige NO_x-Werte beim Verbrennungsvorgang .

Zur weiteren Verbesserung eines derartigen Brenners ist aus der EP 0 780 629 ein Brenner für einen Wärmeerzeuger bekannt, der im Anschluss an den Drallerzeuger eine zusätzliche Mischstrecke zur weiteren Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft aufweist. Diese Mischstrecke kann beispielsweise als nachgeschaltetes Rohr ausgeführt sein, in das die aus dem Drallerzeuger austretende Strömung ohne nennenswer- te Strömungsverluste überführt wird. Durch diese zusätzliche Mischstrecke kann der Vermischungsgrad weiter erhöht und damit die Schadstoffemissionen verringert werden.

Die WO 93/17279 zeigt einen weiteren bekannten Vormisch-Brenner, bei dem ein zylindrischer Drallerzeuger mit einem zusätzlichen konischen Innenkörper eingesetzt wird. Bei diesem Brenner wird das Vormisch- gas ebenfalls über Zuführungen mit entsprechenden Austrittsöffnungen in den Drallraum eingedüst, die entlang der axial verlaufenden Lufteintrittsschlitze angeordnet sind. Dieser Brenner weist im konischen Innenkörper zusätzlich eine zentrale Zuführung für Brenngas auf, das nahe der Austrittsöffnung des

Brenners zur Pilotierung in den Drallraum eingedüst werden kann. Diese zusätzliche Pilotstufe dient dem Anfahren des Brenners. Die Zuführung des Pilotgases im Austrittsbereich des Brenners führt jedoch zu erhöhten NO_x-Emissionen, da in diesem Bereich nur eine unzureichende Vermischung mit der Verbrennungsluft stattfinden kann.

Die EP 0918191 AI zeigt einen gattungsgemäßen Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers, der parallel zu einer ersten Zuführung für Brennstoff auch eine zweite Zuführung für einen anderen Brennstofftyp aufweist, die auf den anderen Brennstofftyp abgestimmt- ist. Beide Zuführungen sind unabhängig voneinander. ansteuerbar. Durch diese Ausgestaltung kann der Brenner ohne Umgestaltung mit unterschiedlichen Brennstofftypen betrieben werden. Bei allen dargestellten Brennern erfolgt die Ein- düsung des Vormischgases im Lufteintrittsspalt durch Zuführungen mit im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse angeordneten Austrittsöffnungen. Damit sind die Charakteristik der Eindüsung hinsichtlich

Eindringtiefe und Einmischung der Gasstrahlen sowie die Brennstoffverteilung entlang der Lufteintrittsschli.tze bzw. der Brennerachse vorgegeben. Die Anordnung der Austrittsöffnungen legt somit bereits die Mischgüte des Gases und der Verbrennungsluft sowie die Brennstoffverteilung am Brenneraustritt fest. Diese Größen sind wiederum entscheidend für die NO_x-Emissionen, für die Lösch- und Rückschlagsgrenzen sowie für die Stabilität des Brenners im Hinblick auf Verbrennungspulsationen.

Bei unterschiedlichen Lasten, Gasqualitäten oder Gasvorwärmtemperaturen treten jedoch unterschiedliche Gasvordrücke an den Austrittsöffnungen auf, die wiederum zu unterschiedlichen Vormischbedingungen und Gemischqualitäten am Brennstoffaustritt führen. Aus den unterschiedlichen Vormischbedingungen resultieren dann unterschiedliche Emissionswerte und Stabilitätsbedingungen, die von der Last, der Gasqualität und der Gasvorwärmung abhängig sind. Die bekannten Brenner lassen sich daher nur für ganz bestimmte Wertebereiche dieser Parameter optimal betreiben.

Problematisch beim Betrieb von Vormischbrennern insbesondere in Gasturbinen ist der Teillastbereich, da hier der Brennluft nur vergleichsweise geringe Brennstoffmengen zugemischt werden. Bei der vollständigen Vermischung des Brennstoffes mit der gesamten Luft aber entsteht ein Gemisch, welches gerade im unteren Teillastbereich nicht mehr zündfähig ist, oder nur noch eine sehr instabile Flamme auszubilden in der Lage ist. Dies kann zu schädlichen Verbrennungspulsationen oder zum vollständigen Verlöschen der Flamme führen.

Für eine Anpassung der bekannten Brenner auf bestimmte Emissionswerte oder auf ein bestimmtes Stabilitätsfenster bei unterschiedlichen Lasten, Umgebungsbedingungen, Gasqualitäten und Vorwärmtemperaturen besteht zurzeit einerseits die Möglichkeit, bei Einsatz von Mehrfachbrenneranordnungen die Vormisch- bzw. Premixgaszufuhr zu einzelnen Brennergruppen zu stufen. Dies ist jedoch nur bei mehrreihigen Brenneranordnungen möglich. Für einreihige annulare Brennkammern hat diese Technik den Nachteil, dass sich ein in Umfangsriehtung ungleichförmiges Temperaturprofil im Brennkammeraustritt einstellt.

Eine andere Möglichkeit ist, Brenner, wie oben be- reits kurz angerissen, mit einer sogenannten Pilot- BrennstoffVersorgung auszustatten. Die Brenner werden dann bei sehr hohen Luftzahlen als Diffusionsbrenner betrieben. Dies resultiert einerseits in einer überlegenen Flammenstabilität, andererseits aber in hohen Emissionswerten und weiteren betriebstechnischen Nachteilen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners sowie einen Brenner anzugeben, mit denen der Brenner auch bei Änderungen der Last, der Gasqualität oder der Gasvorwärmtemperatur mit annähernd konstanten NO_x- Emissionswerten möglichst im Vormischbetrieb stabil betrieben werden kann.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 7 bzw. dem Brenner gemäß Patentanspruch 8 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen des Brenners sowie der Verfahren sind Gegenstand der Unteransprüche.

Beim vorliegenden Verfahren wird ein Brenner mit Drallkörper und Drallraum eingesetzt, der zumindest eine erste BrennstoffZuführung mit einer ersten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung einer Brennerachse angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen für das Einbringen einer ersten Vormischbrennstoffmenge in^' den Drallraum und eine oder mehrere zweite Brennstoffzufüh- rungen mit einer zweiten Gruppe von im Wesentlichen in

Richtung der Brennerachse angeordneten Brennstoff- Austrittsöffnungen aufweist, wobei die zweite Brennstoffzufuhrungen unabhängig von der ersten Brennstoffzuführung mit Brennstoff beaufschlagbar ist/sind. Zum Betrieb des Brenners wird die Zufuhr des Brennstoffes über die ersten Brennstoffzufuhrungen getrennt von der Zufuhr des Brennstoffes über die zweiten Brennstoffzufuhrungen gesteuert oder geregelt, wobei der/den ersten und zweiten Brennstoffzufuhrungen der gleiche Brenn- stoff zugeführt wird. Über die Steuerung des Massen- stromverhältnisses der über die ersten Brennstoffzufuhrungen zugeführten ersten Brennstoffmenge zu einer über die zweiten Brennstoffzufuhrungen zugeführten zweiten Brennstoffmenge während des Betriebes des Brenners lässt sich der Brenner auch bei Änderungen der Last, der Gasqualität oder der Gasvorwärmtemperatur mit annähernd konstanten NO_x-Emissionswerten stabil betreiben.

In der bevorzugten Ausführungsform wird hierbei der Brennstoff als Vormischbrennstoff eingesetzt und in variablem Massenstromverhältnis auf die ersten und zweiten Zuführungen aufgeteilt. Die Einspeisung -von Vormischbrennstoff unterscheidet sich von der Einspeisung von Pilotbrennstoff, d.h. von Brennstoff für die Realisierung einer Pilotstufe, dadurch, dass Vormischbrennstoff mit einem höheren Impuls, vorzugsweise quer zur Strömung der Verbrennungsluft , in den Drallraum eingebracht wird. Bei der Einbringung von Brennstoff als Pilotbrennstoff hingegen wird der Brenner in einem Diffusionsmodus betrieben.

Vorzugsweise wird der Brennstoff lastabhängig auf die ersten und zweiten Brennstoffzufuhrungen verteilt in den Brenner eingebracht .

Bei einer weiteren bevorzugten Betriebsweise des Brenners wird in einem ersten Betriebszustand im Wesentlichen die gesamte Brennstoffmenge über den bzw. die ersten Brennstoffzufuhrungen zugeführt und über die erste Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen in den Verbrennungsluftstrom eingebracht, und in einem weiteren Betriebszustand wenigstens ein Teil der gesamten Brennstoffmenge über wenigstens eine der zweiten Brennstoffzufuhrungen mit der zweiten Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen in den Verbrennungs- luftstrom eingebracht. I o

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Drallraum eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist, die Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom eine oder mehrere erste Brennstoffzufuhrungen mit einer ersten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen für eine erste Vormischbrennstoffmenge umfassen und der Brenner eine oder mehrere zweite Brennstoffzufuhrungen mit einer zweiten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen für eine zweite Brennstoffmenge, vorzugsweise eine Vormischbrennstoffmenge, aufweist, welche zweite Brennstoffzufuhrungen unabhängig von der bzw. den ersten Brennstoffzufuhrungen mit Brennstoff beaufschlagbar ist/sind. Der Brenner zeichnet sich in der beschriebenen Vorzugsvariante dadurch aus, dass in dem Drallraum ein Innenkörper angeordnet ist, wobei die Brennstoff- Austrittsöffnungen wenigstens einer zweiten Brennstoffzuführung im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse verteilt auf dem Innenkörper angeordnet sind. Bei dem

Innenkörper handelt es sich bei einer bevorzugten Ausführungsform um eine Brennstofflanze, die im Drallraum auf der Brennerachse angeordnet ist .

Vorzugsweise sind eine oder mehrere der ersten Gruppen von Brennstoff-Austrittsöffnungen im Bereich . zumindest einer der Brennluft-Eintrittsöffnungen angeordnet .

Unter einer Anordnung im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse ist in der vorliegenden Anmeldung eine Anordnung auf Achsen zu verstehen, die parallel oder unter einem Winkel < 45° zur Brennerachse verlaufen. In einer möglichen Ausführungsform des vorliegenden Brenners sind auch einige der zweiten Brennstoffzufuhrungen unmittelbar neben den ersten Brennstoffzufuhrungen, vorzugsweise parallel zu diesen, angeordnet. Hierbei sollte zumindest eine zweite BrennstoffZuführung neben jeder ersten BrennstoffZuführung vorgesehen sein.

Es versteht sich jedoch von selbst, dass die zwei- ten Brennstoffzufuhrungen auch unabhängig von den ersten Brennstoffzufuhrungen in symmetrischer Anordnung am Drallerzeuger vorgesehen sein können. Die Geometrie des Drallerzeugers ist hierbei unerheblich. So können kegelförmige Drallerzeuger, wie sie aus den eingangs genannten Druckschriften des Standes der Technik bekannt sind, beispielsweise mit zwei, vier oder mehr Lufteintrittsschlitzen, eingesetzt werden. Auch andere Geometrien, wie zylindrische Drallerzeuger oder zylindrische Drallerzeuger mit konischen oder zylindri- sehen Innenkörpern lassen sich einsetzen.

Einige der zweiten Brennstoffzufuhrungen sind in einer Ausführungsform des Brenners an der Aussenschale des Drallkörpers und hierbei insbesondere an den Lufteintrittsschlitzen entlang dieser angeordnet. Wesentlich beim vorliegenden Brenner ist, dass die zweiten Brennstoffzufuhrungen mehrere im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse verteilte Brennstoff- Austrittsöffnungen aufweisen, um eine ausreichende Vormischung erzielen zu können. Die Austrittsöffnungen liegen in der Regel auf parallel oder unter einem durch eine Kegelform des Drallerzeugers oder Innenkörpers vorgegebenen Winkel zur Brennerachse verlaufenden Achsen. Je nach angestrebten Einflussmöglichkeiten auf die Vormischung können die zweiten Brennstoff-Austritts- Öffnungen der zweiten Brennstoffzufuhrungen im Ver- gleich zu den ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen andere gegenseitige Abstände oder Durchströmquerschnitte aufweisen. Gerade bei einer Anordnung, bei der unmittelbar neben einer ersten BrennstoffZuführung auch zumindest eine zweite BrennstoffZuführung vorgesehen ist, können die jeweiligen Brennstoff-

Austrittsöffnungen auch die gleichen gegenseitigen Abstände aufweisen, jedoch versetzt zueinander angeordnet sein. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Eindüsung des Vormischbrennstoffes in den Drallraum. Weiterhin können beispielsweise die ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen über die gesamte axiale Erstreckung der Brennluft-Eintrittsöffnungen, die zweiten Brennstoff- Austrittsöffnungen jedoch nur in einem bestimmten axialen Teilbereich angeordnet sein. In gleicher Weise ist es auch möglich, die ersten Brennstoff- Austrittsöffnungen nur in einem ersten axialen Teilbereich und die zweiten Brennstoff-Austrittsöffnungen nur in einem sich an den ersten Teilbereich anschließenden zweiten axialen Teilbereich vorzusehen - oder umge- kehrt. Unterschiedliche Einflussmöglichkeiten auf den Betrieb des Brenners aufgrund dieser unterschiedlichen Ausgestaltungsmöglichkeiten, deren Kombination keine praktischen Grenzen gesetzt sind, ^'lassen sich den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Zur voneinander unabhängigen Beaufschlagung der ersten und der zweiten Brennstoffzufuhrungen mit dem Vormischbrennstoff sind diese mit unterschiedlichen Anschlüssen ausgestattet. Vorzugsweise sind zusätzlich Mittel zur voneinander unabhängigen Regelung oder Steuerung der Vormischbrennstoffzufuhr zu den ersten und den zweiten Brennstoffzufuhrungen vorgesehen. Die unterschiedliche Zufuhr kann beispielsweise durch ein geeignetes Regelventil gesteuert werden.

Der erfindungsgemäße Brenner sowie Brenner, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist, werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Brenner, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann, im Längsund Querschnitt;

Figur 2 ein Beispiel für den Gasaustritt aus den Austrittsöffnungen bei einer möglichen Betriebsweise des in Figur 1 dargestellten Brenners;

Figur 3 schematisch ein Beispiel für die Anordnung der Brennstoffzufuhrungen und der Brenn- Stoffaustrittsöffnungen eines Brenners, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann;

Figuren 5 bis 7 Beispiele für die Anordnung der

Brennstoffzufuhrungen und der Brennstoffaus- trittsöffnungen eines Brenners, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann;

Figur 8 schematisch ein Beispiel für einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbaren Brenner mit einem zylindrischen Drallerzeuger;

Figur 9 ein Beispiel für eine Brennerbauform mit zylindrischem Drallkörper und konischem Innenkörper, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann;

Figur 10 ein erstes Beispiel für die Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Brenners ;

Figuren 11 bis 14 schematisch Beispiele für weitere Drallerzeugergeometrien, mit denen die vor- liegende Erfindung verwirklicht werden kann;

Figuren 15 und 16 Drallerzeugergeometrien mit einem nachgeschalteten Vormischrohr, bei denen die Erfindung verwirklicht werden kann;

Figuren 17 und 18 schematisch zwei Beispiele für den Aufbau des Drallkörpers im Querschnitt, wie er beim erfindungsgemäßen Brenner eingesetzt werden kann;

Figuren 19 bis 21 weitere Beispiele für die

Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Bren- ners ;

Figur 22 ein Beispiel für die Betriebsweise eines Brenners der Figuren 20 und 21; und Figuren 23 und 24 schematisch zwei Beispiele für die Ausgestaltung der Brennstoffzufuhrungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens .

Wege zur Ausführung der Erfindung

In den folgenden Figuren sind die Brenner in stark schematisierter Ausführung dargestellt, so dass lediglich jeweils an einer Position die für die jeweilige Erläuterung wesentlichen Merkmale herausgestellt sind. Die weitere Gestaltung der dargestellten Brenner ist dem Fachmann unter anderem aus den als Stand der Technik zitierten Dokumenten geläufig, die einen integrierenden Bestandteil der vorliegenden Beschreibung darstellen. Weiterhin wird bei den Ausführungsbeispielen teilweise auf die Eindüsung von gasförmigem Brennstoff Bezug genommen. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch flüssiger Brennstoff über die Brennstoff-Austrittsöffnungen in den Verbrennungs- luftstrom eingebracht werden kann. Der Brennstoff wird weiterhin als Vormischbrennstoff referiert; es versteht sich von selbst, dass ein Teil der gesamten Brennstoff- menge in bestimmten Lastbereichen auch als Pilotbrenn- Stoff zur weiteren Erhöhung der Flammenstabilität eingebracht werden kann. Zuführungen für Pilotbrennstoff sind in keiner der Figuren dargestellt, da sie nicht erfindungswesentlich sind; in Kenntnis des Standes der Technik wird der Fachmann diese aber ohne Weiteres in die exemplarisch dargestellten Brenner zu implementieren wissen, falls er dies für nötig erachtet. In Figur 1 ist ein erstes Beispiel für einen Brenner dargestellt, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann. Figur la zeigt eine Anordnung der ersten 5 und zweiten Brennstoffzufuhrungen 7 bei einem Brenner mit kegelförmigem Drallkörper 1. In der Außenschalung dieses Drallkδrpers 1 ist an den Einströmkanten der Lufteintrittsschlitze, wie sie dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt sind, neben der ersten Zuführung 5 für eine erste Vormischbrenn- stoffmenge PI eine zweite Zuführung 7 für eine zweite Vormischbrennstoffmenge P2 angeordnet . Diese beiden Zuführungen lassen sich unabhängig voneinander mit Vormischbrennstoff beaufschlagen, d.h., dass beispielsweise der Massenstrom des zweiten Vormischbrennstoffes P2 , der durch die zweite Zuführung 7 strömt, unabhängig vom Massenstrom des ersten Vormischbrennstoffes PI durch die erste Zuführung 5 eingestellt werden kann. Dies ist durch die unterschiedlichen Zuführungsleitungen mit den Pfeilen angedeutet . Es versteht sich von selbst, dass vorzugsweise mehrere dieser Zuführungspaare 5, 7. symmetrisch um die Brennerachse angeordnet sind. Die Brennstoffzufuhr zu den beiden Zuführkanälen, kann über hier nicht explizierte Regelventile unabhängig voneinander eingestellt werden. Die Anordnung der Regelventile ist im Beispiel nicht dargestellt, dem Fachmann aber ohne Weiteres geläufig.

In Figur lb ist der Brenner im senkrechten Schnitt durch die Brennerachse 3 dargestellt. In dieser Abbildung sind die beiden Schalen la, lb des Drallkörpers zu erkennen. Diese sind mit zur eigentlichen Brennerachse 3 versetzten Symmetrieachsen 3a, 3b angeordnet, dergestalt, dass zwischen ihnen Luftein- trittsschlitze 4 für die Verbrennungsluft 11 ausgebildet sind. An einem solchen Lufteintrittsschlitz 4 ist in aus dem Stand der Technik bekannter Weise der erste Zuführungskanal 5 mit den entsprechenden Austrittsöff- nungen 6 für den Vormischbrennstoff zu erkennen.

Unmittelbar neben diesem ersten Zuführungskanal 5 ist der zweite Zuführungskanal 7 mit den entsprechenden zweiten Austrittsöffnungen 8 angeordnet. Beide Zuführkanäle zeigen mit ihren Austrittsöffnungen 6, 8 zum einströmenden Verbrennungsluftström.

Durch die Stufung der Vormisch-Brennstoffmengen über getrennt voneinander beaufschlagbare Zuführkanäle kann die Eindringtiefe der Vormisch-Brennstoffmengen PI, P2 in den Verbrennungsluftstrom über den einen

Zuführkanal groß und über den anderen Zuführkanal klein eingestellt werden. Dies ist in Figur 2 schematisch dargestellt, welche Figur die Anordnung gemäß Figur 1 in einer möglichen Betriebsweise darstellt. Hierbei wird die Brennstoffmenge im ersten Zuführkanal 5 höher eingestellt als im zweiten Zuführkanal 7, so dass sich der Druck und somit die Austrittsgeschwindigkeit des Brennstoffs an den Austrittsöffnungen 6 im Vergleich zu den Austrittsöffnungen 8 erhöht. Der erste Vormisch- brennstoff PI aus dem ersten Zuführkanal 5 dringt somit tiefer in die Verbrennungsluftströmung ein als der Vormischbrennstoff P2 aus dem zweiten Zuführungskanal 7, wie dies in der Figur angedeutet ist. Die gleiche Wirkung kann auch durch unterschiedliche Öffnungsdurch- messer bzw. Durchströmquerschnitte der jeweiligen

Austrittsöffnungen erreicht werden, wobei dann die durch die beiden Kanäle strömenden Brennstoffmengen bei ω t ro H o cπ o cπ O cπ

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können beispielsweise als eingefräste Lufteintrittsschlitze oder als Reihen von Lufteintrittsbohrungen ausgebildet sein.

Die in den vorangehenden und nachfolgenden Beispielen angeführten Kombinationen der Zuführkanäle sowie der Anordnung bzw. Ausgestaltung der Austritts- Öffnungen in den Zuführkanälen können beliebig verändert oder miteinander kombiniert werden. So lassen sich sämtliche Varianten der in den Figuren 4 bis 7 dargestellten Austrittsöffnungsanordnungen auch bei den Ausgestaltungen der Figuren 8 bis 16 anwenden. Dies gilt sowohl für die Verteilung, die Anzahl wie auch die Anordnung der einzelnen Austrittsöffnungen. Weiterhin lassen sich bei allen gezeigten Varianten in den beiden Zuführkanälen unterschiedliche Lochdurchmesser einsetzen. Auf diese Weise kann in der Stufe, die eine kleinere Brennstoffmenge aufnehmen soll, ein bestimmter Vordruck und eine gewünschte Austrittsgeschwindigkeit eingestellt werden. Der Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Ausgestaltungsvarianten sind hierbei keine Grenzen gesetzt. Der Fachmann wird die entsprechende Anordnung je nach gewünschter Einsatzbedingung und gewünschten Wirkungen wählen. Insbesondere ist es keineswegs zwingend, die Austrittsöffnungen in axialer Richtung äquidistant anzuordnen, wie es in allen Zeichnungen impliziert ist. Ganz im Gegenteil kann es sich als höchst vorteilhaft, erweisen, die Austrittsöf- fungen für den Vormischbrennstoff in einer willkürli- • chen axialen Verteilung anzuordnen, oder andere

Verteilungsregeln, wie eine geometrische Stufung der axialen Abstände, zu implementieren. Das Gleiche gilt für den Einsatz unterschiedlicher Brennergeometrien oder die Kombination von Drallerzeugern mit Innenkörpern oder VormiSehrohren. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass die Verwirklichung der vorliegen- den Erfindung mit unterschiedlichsten Brennertypen sowie Kombinationen von Drallkörpern, Innenkörpern, VormiSehrohren und anderen bekannten Merkmalen von Brennern möglich ist.

Weitere sehr vorteilhafte Ausführungsformen eines Brenners sind in den Figuren 19 bis 21 zu erkennen. Die dargestellten Brenner umfassen den kegelförmigen Drallkörper 1, in dessen Außenschalung an den Einströmkanten der Lufteintrittsschlitze eine erste Gruppe von Austrittsöffnungen 6 für Vormischgas angeordnet sind. Die Brenner sind weiterhin mit einer zentralen Brennstofflanze 12 ausgestattet, die an ihrem brennkammer- seitigen Ende, d.h. an ihrer Spitze, eine Düse aufweisen kann - wie im vorliegenden Beispiel-, die für einen flüssigen Brennstoff 13 oder für einen Pilotbrennstoff verwendbar ist . Um diese Düse herum können in bekannter Weise Austrittsöffnungen für Abschirmluft 14 vorgesehen sein. Neben den Brennstoffzufuhrungen zu der ersten Gruppe von Austrittsδffnungen 6 und einer Brennstoffzu- führung zur Eindüsung flüssigen Brennstoffes 13 an der Spitze der Brennstofflanze 12 weisen die dargestellten Brenner eine weitere BrennstoffZuführung zu einer zweiten Gruppe von Austrittsöffnungen 8 in der Brennstofflanze 12 auf. Die Austrittsöffnungen 8 der zweiten Gruppe sind im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse in der Mantelfläche der Brennstofflanze 12 angeordnet, wie in den Figuren 19 bis 21 ersichtlich ist, und vorzugsweise radialsymmetrisch um die Achse der

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Bei dem Betrieb dieser Brenner werden beide Gruppen von Austrittsöffnungen 6, 8 mit Vormischgas beaufschlagt . Zündung und Anfahren des Brenners erfolgen in einer Betriebsweise, bei der das Vormisch- gas hauptsächlich über die Austrittsöffnungen 8 an der Brennstofflanze 12, im folgenden auch als Stufe 1 bezeichnet, in den Drallraum eingebracht wird. Bei steigender Last wird die Zufuhr des Vormischgases zur Stufe 1 verringert und die Zufuhr von Vormischgas über die erste Gruppe von Austrittsöffnungen 6, im folgenden als Stufe 2 bezeichnet, erhöht. Eine derartige Verteilung des Vormischbrennstoffes auf die Stufen 1 und 2 in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Brenners kann beispielhaft der Figur 22 entnommen werden. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise eine Gasturbine mit einem derartigen Brenner von der Zündung bis zur Grundlast ohne eine Pilotstufe betreiben.

Die Zufuhr von Brennstoff zu den Stufen 1 und 2 wird über geeignete Ventile unabhängig gesteuert oder geregelt .

Die Figuren 23 und 24 zeigen Beispiele für die Zufuhr einer Brennstoffmenge PO zum Brenner. Bei beiden Beispielen verzweigt die Brennstoffleitung, um die Gesamtbrennstoffmenge PO auf eine Brennstoffmenge PI für die erste Gruppe von Austrittsöffnungen 6 und auf eine Brennstoffmenge P2 für die zweite Gruppe von Austrittsöffnungen 8 aufzuteilen.

In Figur 23 erfolgt die Einstellung des Auftei- lungs- bzw. Massenstromverhältnisses über je ein Ventil

15 und 16 in jedem der Verzweigungen. Figur 24 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Ventil 16 vor der Verzweigung zur Einstellung der Gesamtbrennstoffmenge PO und ein weiteres Ventil 15 in der Verzweigung zur ersten Gruppe von Austrittsöffnungen 6 angeordnet ist. Durch Steuerung des Ventils 15 läßt sich auch hier das Massenstromverhältnis zwischen PI und P2 ändern. Selbstverständlich kann in diesem Beispiel das Ventil 15 auch in der Verzweigung zur zweiten Gruppe von Austrittsöffnungen 8 angeordnet sein.

Weiterhin lassen sich über eine derartige Anordnung auch mehrere Brenner gleichzeitig in dem einge- stellten Massenstromverhältnis mit Brennstoff versorgen, wie durch die gestrichelten Linien in den Figuren angedeutet ist.

Bei beiden beispielhaften Ausführungsformen wird das Massenstromverhältnis P1/P2 durch Ansteuerung der Ventile in Abhängigkeit vom Betriebszustand des

Brenners verändert . Die Änderung des Massenstromver- hältnisses kann in Abhängigkeit von verschiedenen Mess- und Betriebskennwerten gesteuert oder geregelt werden, wie dies bereits in einem vorangegangenen Teil der vorliegenden Beschreibung ausgeführt wurde. Die dargestellten Ausgestaltungen sind unabhängig von der Brennergeometrie und lassen sich bei allen Brennern der vorangegangenen Ausführungsbeispiele einsetzen.

Bezugszeichenliste

1 Drallerzeuger la Drallerzeuger-Teilkörper lb Drallerzeuger-Teilkörper lc Drallerzeuger-Teilkörper ld Drallerzeuger-Teilkörper

2 Drallräum 3 Brennerachse

3a Achse eines Drallerzeuger-Teilkörpers

3b Achse eines Drallerzeuger-Teilkörpers

3c Achse eines Drallerzeuger-Teilkörpers 3d Achse eines Drallerzeuger-Teilkörpers

4 Eintrittsöffnungen/Luftschlitze

5 erste Brennstoffzufuhrungen

6 erste Brennstoff-Austrittsöffnungen

7 zweite Brennstoffzufuhrungen 8 zweite Brennstoff-Austrittsöffnungen

9 Innenkörper

10 Vormischrohr

11 Verbrennungsluft

12 Brennstofflanze 13 flüssiger Brennstoff

14 Abschirmluft

15 Steuerventil

16 Steuerventil

PO Gesamtbrennstoffmenge PI erster Vormischbrennstoff

P2 zweiter Vormischbrennstoff nl erste Anzahl von Bohrungen n2 zweite Anzahl von Bohrungen

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb eines Brenners, der zumindest eine erste BrennstoffZuführung (5) mit einer ersten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung einer Brennerachse (3) angeordneten

Brennstoff-Austrittsöffnungen (6) für das Einbringen einer ersten Vormischbrennstoffmenge in einen Drallraum und eine oder mehrere zweite Brennstoffzufuhrungen (7) mit einer zweiten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse (3) angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen (8) aufweist, wobei die zweiten Brennstoffzufuhrungen (7) unabhängig von der ersten Brennstof Zuführung (5) mit Brennstoff beaufschlagbar ist/sind, bei dem die Zufuhr des Brennstoffes über die ersten Brennstoffzufuhrungen (5) getrennt von der Zufuhr des Brennstoffes über die zweiten Brennstoffzufuhrungen (7) gesteuert oder geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der/den ersten und zweiten Brennstoffzufuhrungen (5, 7) der gleiche Brennstoff zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der/den ersten und zweiten Brennstoffzufuhrungen (5, 7) Vormischbrennstoff zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der/den ersten und zweiten Brenn- stoffZuführungen (5, 7) gasförmiger Brennstoff zu- ω co to μ» o cπ o ι-π cπ

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und dass wenigstens im Volllastbetrieb des Wärmeerzeugers der Brennstoff auf die ersten Brennstoffzufuhrungen (5) und wenigstens eine zweite BrennstoffZuführung (7) aufgeteilt wird.

8. Brenner, im Wesentlichen bestehend aus einem

Drallerzeuger (1) für einen Verbrennungsluftström (11) , einem Drallraum (2) und Mitteln zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom, wobei der Drallerzeuger (1) Brennluft- Eintrittsöf nungen (4) für den tangential in den Drallraum (2) eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist, die Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom wenigstens eine erste BrennstoffZuführung (5) mit einer ersten

Gruppe von im Wesentlichen in Richtung einer Brennerachse (3) angeordneten Brennstof -Austrittsöffnungen (6) für eine erste Vormischbrennstoffmenge (PI) umfassen und der Brenner eine oder meh- rere zweite Brennstoffzufuhrungen (7) mit einer zweiten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse (3) angeordneten Brennstoff- Austrittsöf nungen (8) für eine zweite Brennstoff- menge (P2) aufweist, welche zweite Brennstoff- Zuführungen (7) unabhängig von den ersten Brennstoffzufuhrungen (5) mit Brennstoff beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Drallraum (2) ein Innenkörper (9) an- geordnet ist, wobei die Brennstoff-Austrittsöffnungen (8) wenigstens einer zweiten Brennstoff- Zuführung (7) im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse (3) verteilt auf dem Innenkörper (9) angeordnet sind.

9. Brenner nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkörper (9) eine Brennstofflanze (12) ist, die an ihrem brennraumseitigen Ende zumindest eine Austrittsdüse für flüssigen Brennstoff (13) und/oder Pilotbrennstoff aufweist .

10. Brenner nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Innenkörper (9) in Richtung der Brennerachse (3) verteilt angeordneten Brennstoff- Austrittsöffnungen (8) in einem vom brennraumsei- tigen Ende entfernten axialen Teilbereich des Innenkörpers (9) angeordnet sind.

11. Brenner nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass die zweite Gruppe von Brennstoff-

Austrittsöffnungen (8) für die Zufuhr von Vormischbrennstoff ausgebildet ist .

12. Brenner nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Gruppen von Brennstoff- Austrittsöffnungen im Bereich zumindest einer der Brennluft-Eintrittsöffnungen (4) angeordnet ist.

13. Brenner nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste Brennstoffzufuhrungen (5) und mehrere zweite Brennstoffzufuhrungen (7) vorgesehen sind, wobei jeder der ersten Brennstoffzufuhrungen (5) wenigstens eine zweite BrennstoffZuführung (7) zugeordnet ist.

14. Brenner nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Brennstoffzufuhrungen (7) unmittelbar benachbart zu ersten Brennstoffzufuhrungen (5) angeordnet sind.

• 15. Brenner nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluft-Eintrittsöffnungen (4) im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse (3) verlaufende tangentiale Eintritts- schlitze sind.

16. Brenner nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass entlang jedem Eintrittsschlitz eine erste BrennstoffZuführung (5) mit einer ersten Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen (6) angeordnet ist .

17. Brenner nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass entlang- jedem Eintrittsschlitz wenigstens eine zweite BrennstoffZuführung (7) mit einer zweiten Gruppe von Brennstoff-Austritts- Öffnungen (8) angeordnet ist.

18. Br-enner nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Austrittsöffnungen (8) einer oder mehrerer zweiter Brenn- stoffZuführungen (7) auf axialen Positionen zwischen den Brennstoff-Austrittsöffnungen (6) einer oder mehrerer ersten Brennstoffzufuhrungen (5) angeordnet sind. ω co co ¹ o cπ o cπ o cπ to co to to H ω co μ> o CO

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24. Brenner nach einem der Ansprüche 8 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Austrittsöffnungen (6, 8) von zwei oder mehreren Gruppen unterschiedliche Durchstrδmquerschnitte aufweisen.

25. Brenner nach einem der Ansprüche 8 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur unabhängigen Steuerung der Vormischbrennstoffzufuhr zu der bzw. den ersten (5) und zu der bzw. den zweiten Brennstoff- Zuführungen (7) vorgesehen sind.

26. Brenner nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur unabhängigen Steuerung der Vormischbrennstoffzufuhr eine gemeinsame Brennstoffleitung aufweisen, die in eine erste Zufuhrleitung zu der bzw. den ersten (5) und in eine zweite Zuführleitung zu der bzw. den zweiten Brennstoffzufuhrungen (7) verzweigt, wobei zumindest in einer der Zufuhrleitungen ein Ventil (15, 16) zur Einstellung der Durchflussmenge an Brennstoff angeordnet ist.

27. Brenner nach einem der Ansprüche 8 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der zweiten Brenn- stoffZuführungen (7) unabhängig voneinander mit Brennstoff beaufschlagbar sind.