WO2006015968A1 - Brenner, gasturbine und betrieb eines brenners - Google Patents

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WO2006015968A1
WO2006015968A1 PCT/EP2005/053821 EP2005053821W WO2006015968A1 WO 2006015968 A1 WO2006015968 A1 WO 2006015968A1 EP 2005053821 W EP2005053821 W EP 2005053821W WO 2006015968 A1 WO2006015968 A1 WO 2006015968A1
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fuel
channel
burner
air mixture
shear layer
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PCT/EP2005/053821
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Malte Blomeyer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • 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 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/06043—Burner staging, i.e. radially stratified flame core burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the invention relates to a burner with a first and ei ⁇ NEM second channel for guiding a fuel-air mixture.
  • the invention also relates to a method for operating such a burner and a gas turbine with such Bren ⁇ ner.
  • a burner for a furnace, in particular a gas turbine combustion chamber is known from DE 198 39 085 C2.
  • This burner has a central diffusion burner, in which fuel is added to the combustion air and this is burned in a combustion zone. He ⁇ follows the addition of the fuel without a larger Mischstre ⁇ bridge in the flow before the combustion zone.
  • these key diffusion burner surrounding annular channel-shaped premix intensive premix fuel with combustion air before this fuel ⁇ material / air mixture is burned in the combustion zone also.
  • Advantage of such a premix burner is the homogeneous mixture of fuel and combustion air prior to Burn ⁇ voltage.
  • Such homogeneous mixing is particularly important in view of a low nitrogen oxide emission, since the formation of nitrogen oxides grows exponentially with the flame temperature, with higher flame temperatures occurring in regions of higher fuel concentration. Thus, in the case of an inhomogeneous fuel mixture, the nitrogen oxide emission is essentially determined by the regions of higher fuel concentration. Low nitrogen oxide emissions are also achieved in the pre-mixing burner by a comparatively low fuel concentration, ie a comparatively lean mixture is burned. However, this has the disadvantage that it comes increasingly to flame instabilities. Such
  • Flame instabilities are the starting point of combustion oscillations. Build such combustion oscillations Resonance-like at certain frequency ranges by ei ⁇ ne acoustic feedback of pressure pulsations and Flammin ⁇ stabilities.
  • a stabilization of the lean premix combustion is achieved by the central diffusion burner, which is less susceptible to combustion instabilities, but at the same time is responsible for higher nitrogen oxide concentrations due to a locally rich combustion mixture.
  • Edge flows can be particularly susceptible to fuel density fluctuations and thus the starting point of combustion instabilities.
  • EP 0 870 898 A2 it is known to vary the fuel concentration over the circumference of a fuel channel.
  • the risk of the training is a Verbrennungsinsta ⁇ stability of this edge zone out reduced because the Zündfä ⁇ ability is reduced by the emaciation.
  • This inhomogeneous ⁇ ne Brennstoffzugäbe the consequence that no homogenous air-fuel mixture longer exists, with the above be ⁇ signed disadvantages in terms of nitrogen oxide emissions.
  • Another possibility for influencing such edge zones is known from WO 97/11383 A2.
  • a radially au ⁇ SEN lying flow region in an annular channel of a forward is mixed torch delayed from the mainstream.
  • the object of the invention is to provide a burner with ⁇ be Sonder favorable properties with regard to a low susceptibility to combustion oscillations, while low nitrogen oxide emissions.
  • Another object of the invention is the disclosure of a method for operating a burner and the specification of a gas turbine.
  • the object directed to a burner is achieved by specifying a burner with a first channel for guiding a first fuel / air mixture and a second channel for guiding a second fuel / air mixture, wherein the first and the second fuel / air mixture for ei ⁇ Combustion in a combustion zone are brought together to form a flow shear layer, wherein the first and the second channel are separated from each other by a partition and wherein the partition has openings such that a partial exchange of mass and fuel concentration between the first and the second fuel / air mixture is formed.
  • the flow shear layer between two fuel / air mixture streams converged for combustion can be the starting point for combustion instabilities, since in such a flow shear layer transverse flows due to the shear forces can lead to an oscillation of this flow shear layer.
  • the resulting density and concentration fluctuations can now lead to the build-up of a combustion vibration during combustion.
  • the two merged burning material / air mixture flows through openings in a partition already partially mass and can exchange fuel concentration, there is a less discreet and diskontinuier ⁇ Lich pronounced flow shear layer. This is less susceptible to combustion oscillations.
  • the openings are dimensioned such that the exchange of mass results in a thickening of the flow shear layer.
  • the number and the size of the gene so ⁇ ffnun ⁇ be adjusted so that the Strömungsscher- layer having a substantially greater thickness than that of a partition wall with no openings. More preferably, the number and size of the openings are configured to at least double the flow shear layer thickness. In such a thickened flow shear layer, any oscillations occurring and fuel and density fluctuations are attenuated much faster than in a thinner flow shear layer. This in turn has a low susceptibility to combustion vibrations.
  • the fuel concentration is about Quer ⁇ section of the first and the second channel respectively in Wesent ⁇ union homogeneous.
  • the at ⁇ is due to combustion oscillations due to the low stability lticianen in the flow shear layer reduced to the extent that the loss of weight is the fuel / air mixture in this zone is no longer necessary, or only insignificantly.
  • the thus adjustable homogeneity of the fuel concentration nitrogen oxide emissions can be reduced.
  • the second channel is annular in cross-section and surrounds the first channel. It is further vor convincedt the first channel is a diffusion burner channel and the second channel is a Vormischbrennerkanal be ⁇ . More preferably, the burner is designed as a gas turbine burner. Especially in a gas turbine combustion instabilities can lead to considerable problems due to the very large power releases. Normally, ring-shaped premix burners are used in gas turbine burners, which are stabilized via a central diffusion burner. In context, the fuel gas flows reunification it comes to the above ⁇ surrounded training beschrie a flow shear layer with the disadvantageous weak effects with regard to susceptibility to combustion oscillations.
  • the task directed to a gas turbine is solved by specifying a gas turbine with a burner according to one of the embodiments described above.
  • the directed to a method object is achieved according ge ⁇ triggers by providing a method for operating a Bren ⁇ ners, in which a first fuel / air mixture, and a two-th fuel / air mixture to form a Strömungs ⁇ shear layer merged into a combustion zone and combusted there be, wherein prior to merging the Ge mix in the flow shear layer, a partial exchange of mass and fuel concentration between the mixtures.
  • the exchange is carried out by mass and fuel ⁇ concentration over a perforated dividing wall immediately upstream of the formation of the flow shear layer.
  • the flow shear layer is widened by the exchange in such a way that attenuation for fuel density fluctuations occurs in the flow shear layer.
  • FIG. 5 shows a partition with channel-like, inclined openings.
  • the gas turbine 1 shows a gas turbine 1.
  • the gas turbine 1 has a compressor 3, a combustion chamber 5 and a turbine part 7. In the combustion chamber 5, a burner opens 9. In operation of the
  • Gas turbine 1 combustion air 10 is sucked into the compressor 3 ⁇ and there highly compressed. The combustion air 10 is then fed to the burner 9, as well as fuel 13. In the combustion chamber 5, the fuel / air mixture 11 produced in the burner 9 is burned. A er ⁇ schwtes by the combustion of hot gas 15 is then passes through the turbine section 7 ge ⁇ , where it drives the gas turbine. 1 By Fluktuatio ⁇ the density and concentration of fuel in the combustion chamber of the combustion chamber 5 NEN combustion oscillations can be set up with the chamber walls by a feedback of energy release during the combustion and acoustic interaction. Such combustion oscillations can become so significant that they can cause damage to the gas turbine 1 beyond noise pollution. A burner configuration with reduced susceptibility to such combustion vibrations will be described below.
  • FIG. 2 shows a gas turbine burner 9 in a longitudinal section.
  • the gas turbine burner 9 has a first channel 23 which, as an inner annular channel, carries a fuel / air mixture 11 consisting of combustion air 10 and fuel 13.
  • Fuel 13 may also be via a central fuel nozzle 25, be introduced in particular for an oil injection, while upstream of the first channel 23 preferably fuel gas is introduced as fuel.
  • the first channel 23 is also surrounded by a second annular channel 21.
  • the second channel 21 is designed as a premixing duct, wherein the inlet tube 27 via the fuel 13, the combustion air is mixed for 10 to ⁇ . In a swirl lattice 29, a swirl is imparted to the fuel / air mixture 11.
  • the fuel / air mixture IIB homogenizes in the second channel 21 before it exits into the combustion zone 31.
  • it is combined with the fuel / air mixture IIA from the first channel 23.
  • a flow shear layer 33 is formed.
  • This flow shear layer 33 is formed downstream of a dividing wall 35, which separates the first channel 23 and the second channel 21 immediately upstream of the combustion zone 31. Due to the differences in pulse Ener ⁇ energy and fuel concentration of the respective Brenn ⁇ / air mixtures IIA, IIB material from the first channel 23 and second channel 21 are formed in the flow shear layer 33 from fluctuations. These fluctuations can be the starting point for combustion oscillations.
  • the partition 35 is provided with through openings that allow an exchange of mass and Brennstoffkonzent ⁇ ration between the fuel / air mixtures IIA, IIB in the first channel 23 and second channel 21. This will be described nä ⁇ forth with reference to the following figures.
  • FIG. 3 shows the inner part of the gas turbine burner 9 from FIG. 2 in a view. Shown is the first channel 23 and the surrounding partition wall 35. Visible is a swirl ⁇ lattice 41, which serves to impress a swirl for the fuel / air mixture IIA in the first channel 23. In contrast to the swirl lattice 29 of the second channel 21, which is not shown here, the combustion zone 31 connects downstream of the swirl lattice 41, while the swirl lattice 29 of the first channel 21 is followed by a mixing section. The separation ⁇ wall 35 is now provided with openings 37. The partition wall 35 is therefore executed perforated.
  • the openings 37 may also be formed with a significant length as channels. These channels are preferably oriented perpendicular to the flow direction on the dividing wall, but may also be inclined with respect to the flow direction. Preferably, an inclination is such that internal ⁇ material / air mixture IIB is led from the premixing duct 21 into the first channel 23 through an upstream slope of the Publ ⁇ voltages 37 with respect to the flow from the first channel 23 but practically to the second channel 21 no exchange done in this direction. Correspondingly, an inclination in the opposite direction may also be suitable. This is situated in FIG 5 Darge ⁇ .
  • FIG. 4 shows the effect of the perforation of the partition wall 35.
  • a transverse flow 39 is formed between the first channel 23 and the second channel 21.
  • this essentially leads to a flow from the second channel 21 to the first channel 23.
  • Downstream of the partition wall 35 forms when merging the two fuel / air mixture flows IIA, IIB from the first channel 23 and second channel 21 a Flow shear layer 33 from. Shaped, a flow shear layer 33A is shown as it would appear without the openings 37 in the dividing wall 35.
  • the two fuel / air mixtures IIA, IIB meet each other for the first time downstream of the dividing wall 35 with their differences in mass, energy, momentum and fuel concentration.
  • the case that forms a relatively thin flow ⁇ shear layer 33A illustrates a vulnerable to fluctuations, comparatively strict discontinuity.
  • the upstream of the actual merging with the openings 37 reached partial exchange between the fuel / air mixtures IIA, IIB in the first channel 23 and the second channel 21 reaches a thickening of the flow shear layer 33.
  • the fuel / air mixtures IIA, IIB have already adapted to a part in both energy and momentum as well as fuel concentration aneinan ⁇ .
  • the forming flow shear layer 33 is thereby thickened and represents a softened and no longer so sharp discontinuity. This results in a considerable reduction of fluctuations, ie oscillations are attenuated much faster than would be the case without a perforated partition wall 35. This again results in a low susceptibility with regard to the formation of combustion oscillations.
  • FIG. 5 shows a further possibility for dividing the per ⁇ partitioned dividing wall 35 between the fuel / air mixtures IIA, IIB in the first channel 23 and in the second channel 21.
  • the dividing wall 35 is provided with channel-like openings 39 which are inclined in the flow direction of the fuel / air mixtures IIA, IIB.
  • Brenn ⁇ gas is introduced as fuel.
  • the second channel 21 is formed as a Vormischkanal in which a fuel ⁇ fuel / air mixture IIB is generated.
  • the non-premixed fuel gas preferably flows from the first channel 23 through the inclined openings 39 into the second channel 21, the premixing channel, so that non-premixed fuel flows over to the already premixed fuel / air mixture IIB. Due to the inclination of the openings 39, this overflow is favored, so that the desired exchange of mass and fuel concentration between the first and the second fuel / air mixture IIA / IIB is achieved.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner (9), der an einem ersten und einem zweiten Kanal (23,21) zur Führung eines Brennstoff/Luftgemisches (IIA, IIB) angeschlossen ist, wobei die beiden Kanäle durch eine Trennwand (35) stromauf der Verbrennungszone (31) voneinander getrennt sind. Die Trennwand (35) ist mit Öffnungen (37) versehen, d.h. perforiert ausgeführt, wodurch ein partieller Austausch von Energie, Impuls und Brennstoff konzentration zwischen den Teilströmen ermöglicht wird. Dies hat in einer sich stromab der Trennwand (35) ausbildenden Strömungsscherschicht (33) eine stärkere Dämpfung von sich ausbildenden Dichte-Fluktuationen zur Folge, was wiederum zu einer geringeren Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen führt.

Description

Beschreibung
Brenner, Gasturbine und Betrieb eines Brenners
Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem ersten und ei¬ nem zweiten Kanal zur Führung eines Brennstoff-Luftgemisches. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brenners und eine Gasturbine mit einem solchen Bren¬ ner.
Ein Brenner für eine Feuerungsanlage, insbesondere eine Gas¬ turbinenbrennkammer, ist aus der DE 198 39 085 C2 bekannt. Dieser Brenner weist einen zentralen Diffusionsbrenner auf, bei dem zur Verbrennungsluft Brennstoff zugegeben wird und dieser in einer Verbrennungszone verbrannt wird. Dabei er¬ folgt die Zugabe des Brennstoffs ohne eine größere Mischstre¬ cke im Vorlauf vor der Verbrennungszone. Im Gegensatz dazu weist der diesen zentralen Diffusionsbrenner umgebende ring- kanalförmige Vormischbrenner eine intensive Vormischung von Brennstoff mit Verbrennungsluft auf, bevor dieses Brenn¬ stoff/Luftgemisch ebenfalls in der Verbrennungszone verbrannt wird. Vorteil eines solchen Vormischbrenners ist die homogene Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft vor der Verbren¬ nung. Eine solche homogene Vermischung ist insbesondere im Hinblick auf eine niedrige Stickoxidemission wichtig, da die Stickoxidbildung exponentiell mit der Flammentemperatur an¬ wächst, wobei in Bereichen höherer Brennstoffkonzentration höhere Flammentemperaturen entstehen. Somit wird bei einem inhomogenen Brennstoffgemisch die Stickoxidemission im We- sentlichen von den Bereichen höherer Brennstoffkonzentration bestimmt. Geringe Stickoxidemissionen werden bei dem Vor¬ mischbrenner zudem durch eine vergleichsweise geringe Brenn¬ stoffkonzentration erreicht, d.h. es wird ein vergleichsweise mageres Gemisch verbrannt. Dies hat allerdings den Nachteil, dass es vermehrt zu Flammeninstabilitäten kommt. Solche
Flamminstabilitäten wiederum sind Ausgangspunkt von Verbren¬ nungsschwingungen. Derartige Verbrennungsschwingungen bauen sich resonanzartig bei bestimmten Frequenzbereichen durch ei¬ ne akustische Rückkopplung von Druckpulsationen und Flammin¬ stabilitäten auf. Eine Stabilisierung der mageren Vormisch- verbrennung wird durch den zentralen Diffusionsbrenner er- reicht, der weniger anfällig hinsichtlich der Verbrennungsin¬ stabilitäten ist, gleichzeitig aber auch durch ein lokal fet¬ teres Verbrennungsgemisch verantwortlich für höhere Stick¬ oxidkonzentrationen ist.
In der DE 198 39 085 C2 wird eine Flammenstabilisierung durch einen zusätzlichen Brennstoffeinlass in die Verbrennungszone aus den Vormischbrenner ringförmig umgebenden Öffnungen er¬ reicht .
Randströmungen können besonders anfällig für Brennstoffdich- tefluktuationen und somit Ausgangspunkt von Verbrennungsin¬ stabilitäten sein. Aus der EP 0 870 898 A2 ist bekannt, die Brennstoffkonzentration über den Umfang eines Brennstoffka- nals zu variieren. Durch eine Abmagerung des Konzentrations- gehalts von Brennstoff in einer instabilitätsanfälligen Rand¬ zone wird das Risiko der Ausbildung einer Verbrennungsinsta¬ bilität aus dieser Randzone heraus verringert, da die Zündfä¬ higkeit durch die Abmagerung verringert wird. Diese inhomoge¬ ne Brennstoffzugäbe hat allerdings zur Folge, dass kein homo- genes Brennstoff-Luftgemisch mehr vorliegt, mit den oben be¬ schriebenen Nachteilen hinsichtlich der Stickoxidemissionen. Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung solcher Randzonen ist aus der WO 97/11383 A2 bekannt. Hier wird ein radial au¬ ßen liegender Strömungsbereich in einem Ringkanal eines Vor- mischbrenners gegenüber der Hauptströmung verzögert.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Brenners mit be¬ sonders günstigen Eigenschaften hinsichtlich einer geringen Anfälligkeit für Verbrennungsschwingungen und gleichzeitig niedrigen Stickoxidemissionen. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zum Betrieb eines Brenners und die Angabe einer Gasturbine. Erfindungsgemäß wird die auf einen Brenner gerichtete Aufgabe gelöst durch Angabe eines Brenners mit einem ersten Kanal zur Führung eines ersten Brennstoff/Luftgemisches und einem zwei- ten Kanal zur Führung eines zweiten Brennstoff/Luftgemisches, wobei das erste und das zweite Brennstoff/Luftgemisch für ei¬ ne Verbrennung in einer Verbrennungszone unter Bildung einer Strömungsscherschicht zusammengeführt werden, wobei der erste und der zweite Kanal voneinander durch eine Trennwand ge- trennt sind und wobei die Trennwand Öffnungen so aufweist, dass ein partieller Austausch von Masse und Brennstoffkon- zentration zwischen dem ersten und dem zweiten Brenn¬ stoff/Luftgemisch entsteht.
Nach Erkenntnis der Erfindung kann gerade die Strömungsscher¬ schicht zwischen zwei zur Verbrennung zusammengeführten Brennstoff/Luftgemischströmen Ausgangspunkt für Verbrennungs¬ instabilitäten sein, da in einer solchen Strömungsscher¬ schicht Querströmungen aufgrund der Scherkräfte zu einem Os- zillieren dieser Strömungsscherschicht führen können. Die hierdurch hervorgerufenen Dichte und Konzentrationsschwankun¬ gen können nunmehr bei der Verbrennung zum Aufbau einer Verbrennungsschwingung führen. In dem stromauf der Verbren¬ nungszone die beiden zusammenzuführenden Brenn- stoff/Luftgemischströme über Öffnungen in einer Trennwand be¬ reits partiell Masse und Brennstoffkonzentration austauschen können, kommt es zu einer weniger diskret und diskontinuier¬ lich ausgeprägten Strömungsscherschicht. Diese ist weniger anfällig hinsichtlich der Verbrennungsschwingungen. Der Aus- tausch von Masse über Querströmungen durch die Öffnungen hat auch zwangsläufig einen Energie- und Impulsausgleich zur Fol¬ ge und damit eine Angleichung von Energie und Impuls der bei¬ den Brennstoff/Luftgemischströme. Dies führt wiederum zu ei¬ ner Reduktion der Scherkräfte in der stromab sich ausbilden- den Scherschicht. Vorzugsweise sind die Öffnungen so dimensioniert, dass es durch den Austausch von Masse zu einer Aufdickung der Strö¬ mungsscherschicht kommt. Die Anzahl und die Größe der Öffnun¬ gen werden also so eingestellt, dass die Strömungsscher- schicht eine wesentlich größere Dicke aufweist, als bei einer Trennwand ohne Öffnungen. Weiter bevorzugt sind die Öffnungen in ihrer Anzahl und Größe so konfiguriert, dass es mindestens zu einer Verdopplung der Strömungsscherschichtdicke kommt. In einer solchen verdickten Strömungsscherschicht werden etwaig auftretende Oszillationen und Brennstoff- und Dichte- Fluktuationen sehr viel schneller gedämpft, als in einer dün¬ neren Strömungsscherschicht. Dies hat wiederum eine geringe Anfälligkeit für Verbrennungsschwingungen zur Folge.
Bevorzugt ist die Brennstoffkonzentration über den Quer¬ schnitt des ersten und des zweiten Kanals jeweils im Wesent¬ lichen homogen. Durch die perforierte Trennwand wird die An¬ fälligkeit für Verbrennungsschwingungen aufgrund der Instabi¬ litäten in der Strömungsscherschicht soweit herabgesetzt, dass die Abmagerung des Brennstoff/Luftgemisches in dieser Zone nicht mehr oder nur unwesentlich nötig ist. Durch die somit einstellbare Homogenität der Brennstoffkonzentration können Stickoxidemissionen reduziert werden.
Vorzugsweise ist der zweite Kanal im Querschnitt ringförmig ausgebildet und umgibt den ersten Kanal. Dabei ist weiter be¬ vorzugt der erste Kanal ein Diffusionsbrennerkanal und der zweite Kanal ein Vormischbrennerkanal. Weiter bevorzugt ist der Brenner als Gasturbinenbrenner ausgestaltet. Gerade in einer Gasturbine können Verbrennungsinstabilitäten aufgrund der sehr großen Leistungsfreisetzungen zu erheblichen Proble¬ men führen. Üblicherweise werden bei Gasturbinenbrennern ringkanalförmige Vormischbrenner eingesetzt, die über einen zentralen Diffusionsbrenner stabilisiert werden. Bei Zusam- menführung der Brenngasströme kommt es zu der oben beschrie¬ benen Ausbildung einer Strömungsscherschicht mit den nachtei- ligen Wirkungen hinsichtlich der Anfälligkeit für Verbren¬ nungsschwingungen.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Gasturbine gerichtete Auf- gäbe gelöst durch Angabe einer Gasturbine mit einem Brenner gemäß einem der vorstehend beschriebenen Ausführungen. Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß ge¬ löst durch Angabe eines Verfahrens zum Betrieb eines Bren¬ ners, bei dem ein erstes Brennstoff/Luftgemisch und ein zwei- tes Brennstoff/Luftgemisch unter Bildung einer Strömungs¬ scherschicht in einer Verbrennungszone zusammengeführt und dort verbrannt werden, wobei vor der Zusammenführung der Ge¬ mische in der Strömungsscherschicht ein partieller Austausch von Masse und Brennstoffkonzentration zwischen den Gemischen erfolgt.
Die Vorteile eine solchen Verfahrens entsprechen den obigen Ausführungen zu den Vorteilen des Brenners.
Vorzugsweise erfolgt der Austausch von Masse und Brennstoff¬ konzentration über eine perforierte Tennwand unmittelbar stromauf der Bildung der Strömungsscherschicht.
Weiter bevorzugt wird durch den Austausch die Strömungsscher- schicht so verbreitert, dass sich in der Strömungsscher¬ schicht eine Dämpfung für Brennstoffdichtefluktuationen er¬ gibt .
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen teilweise schematisch und nicht maßstäb¬ lich: FIG 1 eine Gasturbine,
FIG 2 einen Gasturbinenbrenner in einem Längsschnitt,
FIG 3 eine Ansicht eines inneren Teils eines Gasturbinenbren- ners und
FIG 4 die Ausbildung einer Strömungsscherschicht stromab ei¬ ner Trennwand zwischen zwei Brennstoff/Luftgemischen.
FIG 5 eine Trennwand mit kanalartigen, geneigten Öffnungen.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
FIG 1 zeigt eine Gasturbine 1. Die Gasturbine 1 weist einen Verdichter 3, eine Brennkammer 5 und ein Turbinenteil 7 auf. In die Brennkammer 5 mündet ein Brenner 9. Im Betrieb der
Gasturbine 1 wird Verbrennungsluft 10 in den Verdichter 3 an¬ gesaugt und dort hoch verdichtet. Die Verbrennungsluft 10 wird dann dem Brenner 9 zugeführt, wie auch Brennstoff 13. In der Brennkammer 5 wird das im Brenner 9 erzeugte Brenn- stoff/Luftgemisch 11 verbrannt. Ein durch die Verbrennung er¬ zeugtes Heißgas 15 wird sodann durch den Turbinenteil 7 ge¬ leitet, wobei es die Gasturbine 1 antreibt. Durch Fluktuatio¬ nen der Dichte- und Brennstoffkonzentration im Brennraum der Brennkammer 5 können Verbrennungsschwingungen durch eine Rückkopplung der Energiefreisetzung bei der Verbrennung und der akustischen Wechselwirkung mit den Kammerwänden aufgebaut werden. Solche Verbrennungsschwingungen können so erheblich werden, dass sie, über eine Lärmbelästigung hinaus, Schäden an der Gasturbine 1 hervorrufen können. Eine Brennerkonfigu- ration mit verminderter Anfälligkeit hinsichtlich solcher Verbrennungsschwingungen wird im Folgenden beschrieben.
Die FIG 2 zeigt in einem Längsschnitt einen Gasturbinenbren¬ ner 9. Der Gasturbinenbrenner 9 weist einen ersten Kanal 23 auf, der als ein innerer Ringkanal ein Brennstoff/Luftgemisch 11 gebildet aus Verbrennungsluft 10 und Brennstoff 13 führt. Brennstoff 13 kann auch über eine zentrale Brennstoffdüse 25, insbesondere für eine Öleindüsung eingeleitet werden, während stromauf in den ersten Kanal 23 vorzugsweise Brenngas als Brennstoff eingeleitet wird. Der erste Kanal 23 ist umgeben von einem ebenfalls ringförmigen zweiten Kanal 21. Der zweite Kanal 21 ist als ein Vormischkanal ausgebildet, bei dem über Einlassröhrchen 27 Brennstoff 13 der Verbrennungsluft 10 zu¬ gemischt wird. In einem Drallgitter 29 wird dem Brenn¬ stoff/Luftgemisch 11 ein Drall aufgeprägt. Das Brenn¬ stoff/Luftgemisch IIB homogenisiert sich im zweiten Kanal 21, bevor es in die Verbrennungszone 31 austritt. Hier wird es mit dem Brennstoff/Luftgemisch IIA aus dem ersten Kanal 23 zusammengeführt. Bei dieser Zusammenführung bildet sich eine Strömungsscherschicht 33 aus. Diese Strömungsscherschicht 33 entsteht stromab einer Trennwand 35, die den ersten Kanal 23 und den zweiten Kanal 21 unmittelbar stromauf der Verbren¬ nungszone 31 trennt. Durch die Unterschiede in Impuls, Ener¬ gie und Brennstoffkonzentration der jeweiligen Brenn¬ stoff/Luftgemische IIA, IIB aus dem ersten Kanal 23 und dem zweiten Kanal 21 bilden sich in der Strömungsscherschicht 33 Fluktuationen aus. Diese Fluktuationen können Ausgangspunkt für Verbrennungsschwingungen sein. Zur Verringerung der Fluk¬ tuationen wird die Trennwand 35 mit durchgehenden Öffnungen versehen, die ein Austausch von Masse und Brennstoffkonzent¬ ration zwischen den Brennstoff/Luftgemischen IIA, IIB im ers- ten Kanal 23 und zweiten Kanal 21 ermöglichen. Dies wird nä¬ her anhand von den folgenden Figuren beschrieben.
FIG 3 zeigt den inneren Teil des Gasturbinenbrenners 9 aus FIG 2 in einer Ansicht. Dargestellt ist der erste Kanal 23 und die ihn umgebende Trennwand 35. Erkennbar ist ein Drall¬ gitter 41, welches der Aufprägung eines Dralles für das Brennstoff/Luftgemisch IIA im ersten Kanal 23 dient. Im Un¬ terschied zum Drallgitter 29 des zweiten Kanals 21, der hier nicht dargestellt ist, schließt sich die Verbrennungszone 31 stromab des Drallgitters 41 an, während dem Drallgitter 29 des ersten Kanals 21 noch eine Mischstrecke folgt. Die Trenn¬ wand 35 ist nun mit Öffnungen 37 versehen. Die Trennwand 35 ist also perforiert ausgeführt. Über diese Öffnungen 37 er¬ folgt im Betrieb des Gasturbinenbrenners 9 ein Austausch des Brennstoff/Luftgemisches IIA im ersten Kanal 23 und des Brennstoff/Luftgemisches IIB im zweiten Kanal 21. Es werden Masse, Impuls, Energie und Brennstoffkombination ausge¬ tauscht, getrieben durch eine Druckdifferenz zwischen dem ersten Kanal 23 und dem zweiten Kanal 21. Insbesondere liegt im zweiten Kanal 21 ein höherer Druck vor, als im ersten Ka¬ nal 23.
Die Öffnungen 37 können auch mit einer signifikanten Länge als Kanäle ausgebildet sein. Diese Kanäle sind vorzugsweise senkrecht zur Strömungsrichtung an der Trennwand ausgerich¬ tet, können aber auch gegenüber der Strömungsrichtung geneigt sein. Bevorzugt ist eine Neigung dergestalt, dass Brenn¬ stoff/Luftgemisch IIB aus dem Vormischkanal 21 in den ersten Kanal 23 geleitet wird, durch eine Stromauf-Neigung der Öff¬ nungen 37 hinsichtlich der Strömung vom ersten Kanal 23 zum zweiten Kanal 21 aber praktisch kein Austausch in dieser Richtung erfolgt. Entsprechend kann auch eine Neigung in um¬ gekehrter Richtung geeignet sein. Dies ist in FIG 5 darge¬ stellt.
FIG 4 zeigt die Auswirkung der Perforation der Tennwand 35. Über die Öffnungen 37 wird eine Querströmung 39 zwischen dem ersten Kanal 23 und zweiten Kanal 21 ausgebildet. Bei einem höheren Druck im zweiten Kanal 21 führt dies im Wesentlichen zu einer Strömung vom zweiten Kanal 21 zum ersten Kanal 23. Stromab der Trennwand 35 bildet sich bei Zusammenführung der beiden Brennstoff/Luftgemischströme IIA, IIB aus dem ersten Kanal 23 und zweiten Kanal 21 eine Strömungsscherschicht 33 aus. Punktiert ist eine Strömungsscherschicht 33A abgebildet, wie sich ohne die Öffnungen 37 in der Trennwand 35 einstellen würde. Ohne die Öffnungen 37 und damit die Querströmungen 39 treffen die beiden Brennstoff/Luftgemische IIA, IIB erstmalig stromab der Trennwand 35 mit ihren Unterschieden in der Mas¬ se, Energie, Impuls und Brennstoffkonzentration aufeinander. Die sich dabei ausbildende vergleichsweise dünne Strömungs¬ scherschicht 33A stellt eine für Fluktuationen anfällige, vergleichsweise strenge Diskontinuität dar. Demgegenüber wird durch den stromauf der eigentlichen Zusammenführung mit den Öffnungen 37 erreichten partiellen Austausch zwischen den Brennstoff/Luftgemischen IIA, IIB im ersten Kanal 23 und dem zweiten Kanal 21 eine Aufdickung der Strömungsscherschicht 33 erreicht. In dieser Strömungsscherschicht 33 haben sich die Brennstoff/Luftgemische IIA, IIB schon zu einem Teil sowohl in Energie und Impuls als auch Brennstoffkonzentration aneinan¬ der angeglichen. Die sich ausbildende Strömungsscherschicht 33 ist hierdurch aufgedickt und stellt eine aufgeweichte und nicht mehr so scharfe Diskontinuität dar. Hierdurch kommt es zu einer erheblichen Reduktion von Fluktuationen, d.h. Oszil- lationen werden sehr viel schneller gedämpft als dies ohne eine perforierte Trennwand 35 der Fall wäre. Dies hat wieder¬ um eine geringe Anfälligkeit im Hinblick auf die Ausbildung von Verbrennungsschwingungen zur Folge.
In Figur 5 ist eine weitere Möglichkeit aufgezeigt, die per¬ forierte Trennwand 35 zwischen den Brennstoff/Luftgemischen IIA, IIB im ersten Kanal 23 und im zweiten Kanal 21 auszuges¬ talten. Hierbei ist die Trennwand 35 mit kanalartigen und in Strömungsrichtung der Brennstoff/Luftgemische IIA, IIB geneig- ten Öffnungen 39 versehen. In den ersten Kanal 23 wird Brenn¬ gas als Brennstoff eingeleitet. Der zweite Kanal 21 ist als ein Vormischkanal ausgebildet in dem ein Brenn¬ stoff/Luftgemisch IIB erzeugt ist. Vorzugsweise strömt das nicht-vorgemischte Brenngas aus dem ersten Kanal 23 durch die geneigten Öffnungen 39 in den zweiten Kanal 21, den Vormisch¬ kanal, so dass nicht-vorgemischter Brennstoff zu dem bereits vorgemischten Brennstoff/Luftgemisch IIB überströmt. Durch die Neigung der Öffnungen 39 wird dieses Überströmen begüns¬ tigt, so dass der gewünschte Austausch von Masse- und Brenn- stoffkonzentration zwischen dem ersten und dem zweiten Brenn¬ stoff/Luftgemisch IIA/IIB erreicht wird.

Claims

Patentansprüche
1. Brenner (9) mit einem ersten Kanal (23) zur Führung eines ersten Brennstoff/Luftgemisches (IIA) und einem zweiten Kanal (21) zur Führung eines zweiten Brennstoff/Luftgemisches (IIB) , wobei das erste und das zweite Brennstoff/Luftgemisch (IIA, IIB) für eine Verbrennung in einer Verbrennungszone (31) unter Bildung einer Strömungsscherschicht (33) zusammen ge¬ führt werden und wobei der erste und der zweite Kanal (23, 21) voneinander durch eine Trennwand (35) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (35) Öffnungen (37) so aufweist, dass ein partieller Austausch von Masse und Brennstoffkonzentration zwischen dem ersten und dem zweiten Brennstoff/Luftgemisch (IIA, IIB) entsteht.
2. Brenner (9) nach Anspruch 1, bei dem die Öffnungen (37) so dimensioniert sind, dass es durch den Austausch von Masse zu einer Aufdickung der Strömungsscherschicht (33) kommt.
3. Brenner (9) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Brenn¬ stoffkonzentration über den Querschnitt des ersten und des zweiten Kanals (23,21) jeweils im Wesentlichen homogen ist.
4. Brenner (9) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal (21) im Quer¬ schnitt ringförmig ausgebildet ist und den ersten Kanal (23) umgibt .
5. Brenner (9) nach Anspruch 4, bei dem der erste Kanal (23) ein Diffusionsbrennerkanal und der zweite Kanal (21) ein Vormischbrennerkanal ist.
6. Brenner (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge¬ kennzeichnet durch eine Ausgestaltung als Gasturbinenbrenner.
7. Gasturbine (1) mit einem Brenner (9) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche.
8. Verfahren zum Betrieb eines Brenners (9), bei dem ein ers¬ tes Brennstoff/Luftgemisches (IIA) und ein zweites Brenn¬ stoff/Luftgemisches (IIB) unter Bildung einer Strömungsscher- schicht (33) in einer Verbrennungszone (31) zusammengeführt und dort verbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Zusammenführung der Ge¬ mische in der Strömungsscherschicht (33) ein partieller Aus¬ tausch von Masse und Brennstoffkonzentration zwischen den Ge- mischen erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Austausch von Masse und Brennstoffkonzentration über eine perforierte Trennwand (35) unmittelbar stromauf der Bildung der Strömungsscherschicht (33) erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem durch den Austausch die Strömungsscherschicht (33) so verbreitert wird, dass sich in der Strömungsscherschicht (33) eine Dämpfung für Brennstoff-Dichte-Fluktuationen.
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