WO2006069861A1

WO2006069861A1 - Vormischbrenner mit mischstrecke

Info

Publication number: WO2006069861A1
Application number: PCT/EP2005/056168
Authority: WO
Inventors: Hans Peter KNÖPFEL
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2005-11-23
Publication date: 2006-07-06
Also published as: CN101243287B; EP1828684A1; CN101243287A; US20070259296A1; US8057224B2

Abstract

Beschrieben wird ein Vormischbrenner mit Mischstrecke (3) für einen Wärmeerzeuger sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Vormischrenners, mit zu einem Drallkörper sich ergänzenden Teilkegelschalen (5), die einen konisch sich erweiternden Drallraum (6) umspannen und gegenseitig tangentiale Lufteintrittschlitze (7) begrenzen, längs derer Zuführungen (8) für gasförmigen Brennstoff verteilt vorgesehen sind, mit wenigstens einer längs einer den Drallraum (6) mittig durchsetzenden Brennerachse (A) angeordneten Brennstoffzuführung (11 ) für Flüssigbrennstoff sowie mit einem sich stromab an den Drallkörper über ein Übergangsstück (2) anschließenden Mischrohr (4). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine weitere Brennstoffzuführung (13) für flüssig- oder gasförmigen Brennstoff im Bereich des Drallkörpers, des Übergangsstückes (2) und/oder des Mischrohrs (4) vorgesehen ist.

Description

Vormischbrenner mit Mischstrecke

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vormischbrenner mit einer Mischstrecke für einen Wärmeerzeuger, vorzugsweise für eine Brennkammer zum Betreiben einer Gasturbinenanlage, mit zu einem Drallkörper sich ergänzenden Teilkegelschalen, die einen konisch sich erweiternden Drallraum umspannen und gegenseitig tangentiale Lufteintrittschlitze begrenzen, längs derer Zuführungen für gasförmigen Brennstoff verteilt vorgesehen sind, mit wenigstens einer längs einer den Drallraum mittig durchsetzenden Brennerachse angeordneten Brennstoffzuführung für Flüssigbrennstoff sowie mit einem sich stromab an den Drallkörper über ein Übergangsstück anschließenden Mischrohr.

Stand der Technik

Gattungsgemäße Vormischbrenner werden seit vielen Jahren erfolgreich zur Befeuerung von Brennkammern zum Antrieb von Gasturbinenanlagen eingesetzt und stellen im Hinblick auf ihre Brennereigenschaften weitgehend ausgereifte Komponenten dar. Je nach Einsatz und erwünschten Brennerleistungen sind gattungsgemäße Vormischbrenner verfügbar, die sowohl im Hinblick auf Brennerleistung sowie auch unter dem Aspekt reduzierter Schadstoffemission optimiert sind.

Ein Vormischbrenner ohne Mischrohr, auf den aufgrund der Entwicklungsgeschichte kurz hingewiesen werden soll, ist der EP 0 321 809 B1 zu entnehmen, der im Wesentlichen aus zwei hohlen, kegelförmigen, in Strömungsrichtung ineinander geschachtelten Teilkörpern besteht, deren jeweilige Längssymmetrieachsen gegeneinander versetzt verlaufen, so dass die benachbarten Wandungen der Teilkörper in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze für einen Verbrennungsluftstrom bilden. Üblicherweise wird in den von den Teilkörpern umspannten Drallraum über eine zentrale Düse flüssiger Brennstoff eingedüst, während über die im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze in Längserstreckung vorhandene weitere Düsen gasförmiger Brennstoff eingebracht wird.

Das Brennerkonzept des vorstehend genannten Vormischbrenners basiert auf der Erzeugung einer geschlossenen Drallströmung innerhalb des sich kegelförmig erweiternden Drallraumes. Die Drallströmung wird jedoch aufgrund des zunehmenden Dralls in Strömungsrichtung innerhalb des Drallraumes instabil und geht in eine anulare Drallströmung mit Rückströmungszone im Strömungskern über. Der Ort, an dem die Drallströmung durch Aufplatzen in eine anulare Drallströmung mit Rückströmzone unter Ausbildung einer so genannten Rückströmblase übergeht, wird im Wesentlichen durch den Kegelwinkel, der durch die Teilkegel schalen einbeschrieben wird, sowie die Schlitzbreite der Lufteintrittsschlitze bestimmt. Grundsätzlich sind bei der Wahl zur Dimensionierung der Schlitzbreite sowie des Kegelwinkels, durch den letztlich die Baulänge des Brenners bestimmt wird, enge Grenzen gesetzt, damit sich ein gewünschtes Strömungsfeld einstellen kann, das zur Ausbildung einer Drallströmung führt, die im Brennermündungsbereich in eine anulare Drallströmung unter Ausbildung einer räumlich stabilen Rückströmzone aufplatzt, in der das Brennstoff-Luftgemisch unter Ausbildung einer räumlich stabilen Flamme zündet. Eine Verkleinerung der Lufteintrittsschlitze führt zu einer stromaufwärtigen Verschiebung der Rückströmzone, wodurch dann allerdings das Gemisch aus Brennstoff und Luft zeitlich und räumlich früher zur Zündung kommt. Um auf der anderen Seite die Rückströmblase weiter stromab zu positionieren, d.h. eine längere Vormisch- oder Verdampfungsstrecke zu erhalten, so wird stromab zum Drallkörper eine die Drallströmung weiterführende Mischstrecke in Form eines Mischrohres vorgesehen, wie es bspw. in der EP 0 704 657 B1 im Einzelnen beschrieben. In dieser Druckschrift ist ein aus vier Teilkegelkörpern bestehender Drallkörper zu entnehmen, an dem sich stromab eine für eine weitere Durchmischung des Brennstoff-Luftgemisches dienende Mischstrecke anschließt. Zur kontinuierlichen Überführung der aus dem Drallkörper austretenden Drallströmung in die Mischstrecke sind zwischen dem Drallkörper und der Mischstrecke in Strömungsrichtung verlaufende Übergangskanäle vorgesehen, die zur Überführung der im Drallkörper gebildeten Drallströmung in den stromab der Übergangskanäle nachgeschalteten Mischstrecke dienen.

Das Vorsehen eines Mischrohrs verkleinert jedoch zwangsläufig die Größe der Rückströmblase, zumal der Drall der Strömung so zu wählen ist, dass die Strömung nicht innerhalb des Mischrohrs aufplatzt. Am der Ende des Mischrohrs ist demzufolge der Drall zu gering, dass sich eine grosse Rückströmblase ausbilden kann. Selbst Versuche zur Vergrößerung der Rückströmblase, bei denen die Innenkontur des Mischrohrs einen sich in Strömungsrichtung divergent öffnenden Diffusorwinkel vorsehen, zeigten, dass derartige Massnahmen zum stromaufwärtigen Wandern der Flamme führen. Ausserdem ergeben sich zusätzliche Probleme bezüglich wandnaher Strömungsablösungen längs des Mischrohrs, die sich nachteilig auf die Durchmischung des Brennstoff-Luftgemisches auswirken.

Neben dem konstruktiven Brennerdesign übt auch die Einspeisung von Brennstoff einen entscheidenden Einfluss auf die Strömungsdynamik der sich innerhalb des Drallkörpers ausbildenden Drallströmung sowie der sich stromab des Drallkörpers möglichst raumstabil ausbildenden Rückströmblase aus. So zeigt sich bei einer typischen Einspeisung von Flüssigbrennstoff längs der Brennerachse am Ort der Kegelspitze des sich konisch erweiternden Drallraumes ein sich längs der Brennerachse ausbildendes, fettes Brennstoff-Luftgemisches, insbesondere bei Vormischbrennem größerer Bauart, wodurch die Gefahr der sog. Rückzündung (Flashback) in den Bereich des Drallraumes hinein ansteigt. Derartige Rückzündungen führen zum einen unweigerlich zu erhöhten NOx-Emissionen, zumal hierdurch nicht vollständig durchmischte Brennstoff-Luftgemisch-Anteile verbrannt werden. Zum anderen sind Rückzündungserscheinungen vor allem deswegen gefährlich und daher zu vermeiden, da sie zu thermischen sowie mechanischen Belastungen und in Folge dessen zu irreversiblen Schädigungen an der Struktur des Vormischbrenners führen können.

Ein weiterer sehr wichtiger, umwelttechnischer Aspekt betrifft aus das Emissionsverhalten derartiger Vormischbrenner. Aus verschiedenen Druckschriften ist es bekannt, bspw. aus Combust. Sei. and Tech. 1992, Vol. 87, pp. 329-362, dass bei einer perfekt vorgemischten Flamme die Grosse der Rückströmblase zwar keinen Einfluss auf die NOx-Emissionen hat, jedoch die CO-, UHC-Emissionen sowie die Löschgrenze stark zu beeinflussen vermag, d.h. je grösser die Rückströmblase umso geringer fallen die CO-, UHC-Emissionen sowie die Löschgrenze aus. Mit einer sich grösser ausbildenden Flammenstabilisationszone bzw. Rückströmblase kann somit ein größerer Lastbereich im Vormischbereich abgedeckt werden, zumal die Flamme bei weit niedrigeren Temperaturen löscht als im Falle einer kleinen Rückströmblase. Gründe hierfür sind der Wärmeaustausch zwischen der Rückströmblase und das zündfähige Brennstoff-Luftgemisch sowie die Stabilisierung der Flammenfront im Strömungsfeld.

Die vorstehenden Ausführungen zeigen, dass eine Leistungsvariation im Sinne einer Leistungserhöhung einer Gasturbinenanlage durch bloße Hochskalierung der Baugrösse eines bisher bekannten Vormischbrenners zu einer Vielzahl von Problemen führt und somit unweigerlich eine vollständige Neukonstruktion eines bis anhin bekannten kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenners erforderlich macht. Hier gilt es Abhilfe zu schaffen und nach Maßnahmen zu suchen, um eine gewünschte Skalierung von Gasturbinenanlagen auch mit dem derzeit in Betrieb befindlichen Vormischbrennem mit nach geschalteter Mischstrecke zu ermöglichen und dies mit nur geringen bautechnischen Änderungen an bestehenden Vormischbrennersystemen. Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vormischbrenner mit nach geschalteter Mischstrecke für einen Wärmeerzeuger, insbesondere für die Befeuerung einer Brennkammer zum Antrieb einer Gasturbinenanlage mit zu einem Drallkörper sich ergänzenden Teilkegelschalen, die einen konisch sich erweiternden Drallraum umspannen und gegenseitig tangentiale Lufteintrittschlitze begrenzen, längs derer Zuführungen für gasförmigen Brennstoff verteilt vorgesehen sind, mit wenigstens einer längs einer den Drallraum mittig durchsetzenden Brennerachse angeordneten Brennstoffzuführung für Flüssigbrennstoff sowie mit einem sich stromab an den Drallkörper über ein Übergangsstück anschließenden Mischrohr, derart weiterzubilden, dass sein Einsatz auch bei größer dimensionierten Gasturbinenanlagen, die eine größere Brennerlast erfordern, möglich wird ohne die konstruktive Ausgestaltung des Vormischbrenners wesentlich verändern zu müssen. Insbesondere gilt es trotz den die Brennerleistung maximierenden Maßnahmen die durch den Brenner verursachte Schadstoffemission so gering wie möglich zu halten. Selbstverständlich gilt es überdies stets die Betriebssicherheit eines erfindungsgemäß modifizierten Vormischbrenners zu gewährleisten und trotz den die Brennerleistung steigernden Maßnahmen die bei leistungsstarken Brennersystemen zunehmende Gefahr bezüglich Rückzündungsereignisse zu minimieren bis hin zu vollständig auszuschließen.

Als eine weitere Aufgabe ist ein Verfahren zum Betreiben eines Vormischbrenners mit nach geschalteter Mischstrecke für einen Wärmeerzeuger, insbesondere für die Befeuerung einer Brennkammer zum Antrieb einer Gasturbinenanlage, anzugeben, das es ermöglicht trotz Vergrösserung des Vormischbrenners die Flammensposition zu stabilisieren, die CO-, UHC- und NOχ-Emissionen zu reduzieren, auftretende Brennkammerpulsationen zu verringern und den Stabilitätsbereich zu vergrößern. Zudem soll der Ausbrand vollständig sein. Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein lösungsgemäßes Verfahren ist im Anspruch 10 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Lösungsgemäss ist ein Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke in Form eines Mischrohres gemäss den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 dadurch ausgebildet, dass wenigstens eine weitere Brennstoffzuführung im Bereich des Drallkörpers, des Übergangsstückes und/oder des Mischrohres vorgesehen ist, die es ermöglicht radial von aussen bezüglich der sich in Strömungsrichtung innerhalb des Brenners ausbildenden Drallströmung Brennstoff in das Brennstoff- Luftgemisch einzuspeisen. Mit dieser Massnahme kann dem bis anhin auftretenden radialen Brennstoffgradienten, bedingt durch eine ausschliessliche zentrale längs der Brennerachse gerichtete Brennstoffeinspeisung und die damit verbundene brennerachsennahe Ausbildung eines fetten Brennstoff-Luftgemisches, das sich mit zunehmenden radialem Abstand von der Brennerachse deutlich abmagert, entgegengetreten werden. Die lösungsgemässe zusätzliche Brennstoffeinspeisung, die aus einem flüssigen Brennstoff bestehen kann, aus Bereichen des Brennergehäuses, das das sich in Form einer Drallströmung längs der Brennerachse ausbreitende Brennstoff-Luftgemisch radial umfasst, wird dem radialen Brennstoffgradienten insofern entgegengetreten, indem die Brennstoffkonzentration in den radial zu Brennerachse entfernt liegenden Strömungsbereichen durch dosierte Brennstoffeinspeisung angehoben wird, bis sich ein gewünschtes Brennstoffprofil längs eines Strömungsquerschnittes einstellt.

Um eine möglichst axial symmetrische bzw. homogene Brennstoffverteilung um die Brennerachse längs eines Strömungsquerschnittes innerhalb Drallströmung zu erhalten, sind wenigstens zwei vorzugsweise eine Vielzahl einzelne Brennstoffeinspeisestellen axial symmetrisch zur Brennerachse in dem jeweiligen Brennergehäusebereichen, sei es Drallkörper, Übergangsstück und/oder Mischrohr, vorzusehen. Die Brennstoffeinspeisestellen sind vorzugsweise als Flüssigbrennstoffdüsen ausgebildet, durch die Flüssigbrennstoff unter Ausbildung eines Brennstoffsprays austragbar ist, wobei es ohne weiteres auch möglich ist, andere Brennstoffe einzubringen. Je nach erwünschter Eindringtiefe der Brennstoffeinspeisung ist der Zerstäubungsgrad durch Vorsehen entsprechender Düsenkonturen zu wählen. Bei einer maximalen Eindringtiefe kann die Brennstoffdüse als blosse Lochdüse ausgebildet sein, durch welche der Brennstoff in Form eines Brennstoffstrahls eingebracht wird.

Je nach dem in welchem Bereich längs der Brennerachse die weiteren Brennstoffzuführungen vorgesehen sind, ist der Winkel relativ zur Brennerachse, unter dem der Brennstoff radial von aussen in die Drallströmung eingebracht wird zwischen 90°, d.h. der Brennstoffeintrag erfolgt senkrecht zur Brennerachse, und einem grosseren Winkel bis zu maximal 180°, d.h. der Brennstoffeintrag erfolgt parallel zur Brennerachse in Strömungsrichtung der Drallströmung, zu wählen.

Vorzugsweise eignet sich eine zusätzliche Brennstoffeinspeisung im Bereich des Mischrohres, das über eine geradlinig hohlzylinderförmig ausgebildete Innenwand oder eine konturierte Innenwand in Art einer Diffusstruktur aufweisen kann. Im letzteren Fall eignet sich das Vorsehen der zusätzlichen Brennstoffzuführungen am Ort des geringsten Strömungsquerschnittes längs des Mischrohres, d.h. im Bereich der durch die Strömungsquerschnittsverengung hervorgerufenen größten axialen Strömungsgeschwindigkeit.

Versuche konnten ferner bestätigen, dass eine Optimierung des Brennstoffprofils längs der Strömungsrichtung durch die Vormischbrenneranordnung auch im Falle der zusätzlichen Einspeisung von Brennstoff im Bereich des Übergangsstückes zwischen Drallerzeuger und Mischrohr möglich ist. In diesem Fall erwies es sich als besonders vorteilhaft, die Brennstoffeinspeisung durch senkrecht zur Brennerachse weisende Brennstoffdüsen in das sich axialwärts ausbreitende Luftbrennstoffgemisch einzutragen. Ähnlich gute Ergebnisse konnten mit einer Brennstoffeinspeisung im Bereich des Drallerzeugers erzielt werden, wobei die zusätzliche Brennstoffeinspeisung von Seiten der tangential den Drallraum eingrenzenden Teilkegelschalen erfolgt.

Gegenüber der bis anhin praktizierten Brennstoffeindüsung ausschliesslich aus dem Zentrum des Brenners, mit Hilfe einer im Bereich des Drallerzeugers angeordneten Brennstoffdüse, die im kleinsten Strömungsquerschnitt des Drallerzeugers positioniert ist, können mit den lösungsgemässen Massnahmen, die Massenströme des dem Brenner zugeführten Brennstoffes zur Optimierung des Brennerströmungsfeldes angepasst werden. So gilt es insbesondere beim Betrieb von Gasturbinenanlagen den Verbrennungsprozess dem jeweiligen Lastpunkt der Gasturbinenanlage anzupassen, d.h. die Brennstoffzugabe ist sowohl über die zentrale längs der Brennerachse orientierte Brennstoffdüse als auch über die radial um die Brennerachse im Brennergehäuse vorgesehenen, weiteren Brennstoffzuführungen entsprechend zu wählen, um ein möglichst homogenes Brennstoff-Luftgemisch im gesamten Strömungsquerschnitts zu erhalten. Durch diese wenigstens zweistufige Brennstoffzuführung, d.h. die erste Stufe entspricht der zentralen Brennstoffzuführung und die zweite Stufe der radial in das Strömungsfeld nach innen gerichtete Brennstoffzuführung, kann eine dem jeweiligen Operationsbzw. Lastpunkt der Gasturbinenanlage optimal angepasste Verteilung des Brennstoffes erreicht werden, die zu geringen Emissionen, geringeren Pulsationen und damit verbunden auch zu einem grosseren Betriebsbereich des Brenners führt.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Längsquerschnitt durch eine Brenneranordnung mit einem kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenner und anschließendem Mischrohr mit einer unter einem Winkel α relativ zur Brennerachse angeordneten weiteren Flüssigbrennstoffzuführung im Mischrohr,

Fig. 2 vgl. Ausführungsbeispiel gem. Figur 1 jedoch mit senkrecht zur Brennerachse orientierten Flüssigbrennstoffeinspeisung, d.h. α =90°,

Fig. 3 vgl. Ausführungsbeispiel gemäss Figur 2, jedoch mit im

Übergangsstück integrierten Flüssigbrennstoffzuführungen sowie

Fig. 4 vgl. Figur 3, jedoch mit im Drallerzeuger integrierten Flüssigbrennstoffzuführungen.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Die Figuren 1 bis 4 zeigen Längsquerschnitte durch eine Brenneranordnung mit einem kegelförmig ausgebildeten Vormischbrenner 1 , an den sich stromab längs der Brennerachse A ein Übergangsstück 2 anschliesst, das seinerseits stromab mit einem Mischrohr 3 verbunden ist. Nicht in den Figuren 1 bis 4 dargestellt ist eine stromab zum Mischrohr 3 vorzusehende Brennkammer, die zum Antrieb einer Gasturbinenanlage dient.

Der in den Figuren 1 bis 4 jeweils dargestellte Vormischbrenner 1 ist als an sich bekannter Doppelkegelbrenner ausgebildet und begrenzt mit zwei Teilkegelschalen 5 einen konisch sich längs der Brennerachse A in Strömungsrichtung (siehe Pfeildarstellung) erweiternden Drallraum 6. Im Bereich des kleinsten Innenquerschnittes des sich konisch erweiternden Drallraumes 6 ist axial zur Brennerachse A eine zentrale Flüssigbrennstoffdüse 11 vorgesehen, durch die ein weitgehend symmetrisch zur Brennerachse A sich ausbreitendes Brennstoffspray 12 gebildet wird. Durch tangential zum Drallraum 6 verlaufende Lufteintrittsschlitze 7, die von den jeweils beiden Teilkegelschalen 5 begrenzt sind, gelangt Verbrennungsluft L mit einem um die Brennerachse A gerichteten Drall in den Drallraum 6, die sich mit gasförmigen Brennstoff vermischt, der aus längs zu den Lufteintrittsschlitzen 7 verteilt angeordneten Brennstoffzuführungen 8 ausgetragen wird. Das sich auf diese Weise innerhalb des Drallraumes 6 ausbildende Brennstoff- Luftgemisch, dessen Brennstoffanteil sich sowohl aus gasförmigem sowie auch flüssigem Brennstoff zusammensetzt, gelangt in Form einer Drallströmung über ein Übergangsstück 2, das den Strömungsdrall erhaltende bzw. unterstützende Strömungsleitstücke 9 vorsieht, in die Mischstrecke 3, die im einfachsten Fall als hohlzylinderförmig ausgebildetes Mischrohr 4 ausgebildet ist. In allen dargestellten Figuren ist die Darstellung des Mischrohres 4 aus Gründen einer vereinfachten zeichnerischen Darstellung mit zwei unterschiedlich ausgebildeten Halbebenen dargestellt, die jeweils unterschiedliche Mischrohre repräsentieren. In der jeweils oberen Teilquerschnittshälfte weist das Mischrohr 4 eine konturierte Innenwand auf, die in Art eines Diffusors ausgebildet ist, mit einem in Strömungsrichtung sich verjüngenden, einen kleinsten sowie einen sich vergrössemden Strömungsquerschnitt. Demgegenüber repräsentiert die untere Hälfte des in Längsquerschnittsdarstellung gezeigten Mischrohrs 4 ein Mischrohr mit geradzylinderförmig ausgebildeter Innenwand. Zur weiteren Unterscheidung der jeweils oberen und unteren Hälfte des in den Figuren dargestellten Mischrohres wird das Mischrohr gemäss der oberen Bilddarstellung mit A1 , A2, A3 bzw. A4, wohingegen das Mischrohr gemäss unterer Ausführungsalternative jeweils mit B1 , B2, B3 bzw. B4 bezeichnet wird.

Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 1 ist im Bereich des Mischrohres 4 eine weitere Brennstoffzuführung 13 vorgesehen, durch die ein Brennstoff FB, bspw. Öl, unter einem Winkel α relativ zur Brennerachse A eingespeist wird. Im Falle einer Mischrohrausbildung gemäss der oberen Teilquerschnittsdarstellung A1 mündet die Brennstoffzuführung 13 an der Mischrohrinnenwand im Bereich des kleinsten Strömungsquerschnittes. Um eine möglichst symmetrische Brennstoffverteilung um die Brennerachse A im Bereich der Brennstoffzuführung 13 zu erhalten, sind wenigstens zwei vorzugsweise mehr getrennt voneinander angeordnete Brennstoffzuführungen 13 innerhalb des Mischrohres 4 zu integrieren. Die Austrittsöffnungen der einzelnen Brennstoffzuführungen 13 liegen vorzugsweise in einer gemeinsamen Querschnittsebene, die die Brennerachse A senkrecht schneidet. Die Brennstoffzuführleitungen 13 münden üblicherweise über konventionelle Lochdüsen an der Innenwand des Mischrohres 4, können jedoch zur optimierten Brennstoffeinspeisung zur Herstellung eines feinst zerstäubten Brennstoffsprays geeignete Düsenaustrittskonturen aufweisen. Ebenso denkbar wäre die Ausbildung einer durchgängig an der Innenwand des Mischrohres 4 umlaufenden Schlitzdüse, durch die Brennstoff in annularer Gleichverteilung um die Brennerachse A in den Raum der Mischstrecke eingetragen werden kann. Das Ausführungsbeispiel in der unteren Bilddarstellung B1 sieht ein Mischrohr 4 mit einer geraden hohlzylinderförmig ausgebildeten Innenwand vor, längs der ebenfalls unter einem Winkel α Brennstoff in das Innere des Mischrohrs 4 ausgetragen wird. Auch im Fallbeispiel B1 können die zum Fall A1 geschilderten alternativen Ausführungen und Anordnungen der Brennstoffzuführung 13 angewandt und eingesetzt werden.

Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 2 erfolgt die Brennstoffzuführung 13 im Bereich des Mischrohres 4 jeweils senkrecht zur Brennerachse A. Im Fall des Ausführungsbeispiels gemäss A2 in Figur 2 mündet die Brennstoffzuführung 13 ebenfalls im Bereich des geringsten Strömungsquerschnittes. Im Fall B2 ist es grundsätzlich ohne Belang, an welcher Stelle die Brennstoffzuführung 13 längs des Mischrohrs erfolgt, jedoch ist aus Gründen einer möglichst vollständigen Durchmischung des eingespeisten Brennstoffes FB und Ausbildung eines homogenen Brennstoff-Luftgemisches eine möglichst mittige oder relativ zur Mischrohrmitte stromaufwärtige axiale Position vorteilhaft.

Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3 erfolgt die Brennstoffzuführung 13 im Bereich des Übergangsstückes 2. Neben der theoretisch möglichen Brennstoffeinspeisung unter einem Winkel α größer 90° relativ zur Brennerachse A hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen in diesem Bereich die Brennstoffzuführung jeweils senkrecht zur Brennerachse A, d.h. α = 90°, durchzuführen, zumal bei einer derartigen Brennstoffzuführung eine maximale Verweilzeit des ausgetragenen Brennstoffes innerhalb des Übergangsstückes 2 und eine damit verbundene vollständige Durchmischung gewährleistet ist.

Schliesslich sieht das Ausführungsbeispiel gemäss Figur 4 die Brennstoffzuführung im Bereich des Vormischbrenners 1 vor. Hierbei sind die Brennstoffzuführungen 13 unmittelbar stromauf des Übergangsstückes 2 in den Teilkegelschalen 5 des Vormischbrenners 1 integriert.

Grundsätzlich ist es möglich, die unterschiedlichen Anordnungsmöglichkeiten der weiteren Brennstoffzuführungen 13, wie sie in den Figuren 1 bis 4 im Einzelnen beschrieben sind, miteinander zu kombinieren. Bei allen Kombinations- und Variationsmöglichkeiten der weiteren Brennstoffzuführung gilt jedoch es zu beachten, den Brennstoffeintrag in den randnahe Bereich der sich innerhalb der Brenneranordnung ausbildenden Drallströmung unter der Massgabe einer sich im Strömungsquerschnitt möglichst gleichmäßig ausbildenden Brennstoffverteilung vorzunehmen, um möglichst einen auftretenden Brennstoffgradienten längs eines Strömungsquerschnittes der Drallströmung zu vermeiden.

Mit Hilfe der erfindungsgemässen Massnahme der zusätzlichen Brennstoffzuführung können folgende Vorteile erzielt werden:

Die sich innerhalb der Brennkammer ausbildende Flammenposition kann stabilisiert werden.

Geringere Emissionen bezüglich CO-, UHC- sowie NOχ-Schadstoffemissionen können erzielt werden.

Es treten geringere Brennkammerpulsationen auf, d.h. der Stabilitätsbereich, in dem die Brenneranordnung nahezu schwingungsfrei betreibbar ist, kann deutlich vergrössert werden.

Durch die homogenere Brennstoffverteilung innerhalb der Drallströmung ist ein vollständiger Ausbrand des Brennstoffes innerhalb der Brennkammer gewährleistet.

Grundsätzlich ermöglicht die erfindungsgemässe Massnahme einen grosseren Betriebsbereich, insbesondere bei Brennern grosserer Bauart ist eine optimalere Verteilung des Brennstoffes möglich.

Die erfindungsgemässe Massnahme führt zu einer Reduktion des Zerstäubungs- oder Eindüsungsvordruckes für den Brennstoffbetrieb und sorgt für eine verbesserte Vormischung des Brennstoff-Luftgemisches. Bezugszeichenliste

1 Vormischbrenner

2 Übergangsstück

3 Mischstrecke

4 Mischrohr

5 Teilkegelschale

6 Drallraum

7 Lufteintrittsschlitz

8 Brennstoffzufuhrleitung

9 Strömungsleitstücke

10 n.n.

11 zentrale Brennstoffdüse

12 Brennstoffspray

13 Brennstoffzuführung A Brennerachse

L Verbrennungsluft

Claims

Patentansprüche

1. Vormischbrenner mit Mischstrecke (3) für einen Wärmeerzeuger mit zu einem Drallkörper sich ergänzenden Teilkegelschalen (5), die einen konisch sich erweiternden Drallraum (6) umspannen und gegenseitig tangentiale Lufteintrittschlitze (7) begrenzen, längs derer Zuführungen (8) für einen Brennstoff verteilt vorgesehen sind, mit wenigstens einer längs einer den Drallraum (6) mittig durchsetzenden Brennerachse (A) angeordneten Brennstoffzuführung (11 ) für einen weiteren Brennstoff sowie mit einem sich stromab an den Drallkörper über ein Übergangsstück (2) anschließenden Mischrohr (4), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Brennstoffzuführung (13) im Bereich des Drallkörpers, des Übergangsstückes (2) und/oder des Mischrohrs (4) vorgesehen ist.

2. Vormischbrenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Brennstoffzuführung (13) unter einem Winkel α erfolgt, mit 90° < α < 180°, wobei α einen Schnittwinkel darstellt, unter dem der in den Drallraum (6), in den Bereich des Übergangsstückes (2) und/oder des Mischrohrs (4) eingetragene Brennstoff die Brennerachse (A) schneidet.

3. Vormischbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Brennstoffzuführung (13) wenigstens zwei Brennstoffdüsen vorsieht, durch die der Brennstoff unter Ausbildung eines Brennstoffsprays austragbar ist.

4. Vormischbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Brennstoffdüsen axialsymmetrisch zur Brennerachse (A) angeordnet sind.

5. Vormischbrenner nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Brennstoffdüsen in einer Querschnittsebene liegen, die die Brennerachse (A) senkrecht schneidet.

6. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die im Bereich des Drallkörpers vorgesehene Brennstoffzuführung (13) für Brennstoff wenigsten zwei symmetrisch zur Brennerachse (A) angeordnete Brennstoffdüsen vorsieht, die nahe dem Übergangsstück (2) jeweils in oder an den Teilkegelschalen (5) integriert sind.

7. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im Bereich des Übergangsstücks (2) vorgesehene Brennstoffzuführung (13) für Brennstoff wenigstens zwei symmetrisch zur Brennerachse (A) angeordnete Brennstoffdüsen vorsieht, die mittig zur axialen Erstreckung des Übergangsstückes (2) oder stromauf zu dieser Position angeordnet sind.

8. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die im Bereich des Mischrohrs (4) vorgesehene Brennstoffzuführung (13) für Brennstoff wenigstens zwei symmetrisch zur Brennerachse (A) angeordnete Brennstoffdüsen vorsieht, die mittig zur axialen Erstreckung des Mischrohrs (4) oder stromauf zu dieser Position angeordnet sind.

9. Vormischbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischrohr (4) eine sich axialwärts ersteckende Diffusor-artig ausgebildete Innenwandkontur aufweist, mit einem in Strömungsrichtung sich verjüngenden, einen kleinsten sowie einen sich vergrößernden Strömungsquerschnitt, und dass die wenigstens zwei Brennstoffdüsen im Bereich des kleinsten Strömungsquerschnitts vorgesehen sind.

10. Verfahren zum Betreiben eines Vormischbrenners mit Mischstrecke (2) für einen Wärmeerzeuger mit zu einem Drallkörper sich ergänzenden Teilkegelschalen (5), die einen konisch sich erweiternden Drallraum (6) umspannen und gegenseitig tangentiale Lufteintrittschlitze (7) begrenzen, durch die Luft eintritt und längs derer gasförmiger Brennstoff in den Drallraum (6) unter Ausbildung eines sich in Form einer Drallströmung ausbildenden Brennstoff-Luftgemisches eingespeist wird, sowie mit wenigstens einer längs einer den Drallraum (6) mittig durchsetzenden Brennerachse (A) angeordneten Brennstoffzuführung (11 ), mittels der Flüssigbrennstoff axial in den Drallraum (6) eingespeist wird, der gemeinsam mit der Drallströmung innerhalb eines sich an den Drallraum (6) stromab über ein Übergangsstück (2) anschließenden Mischrohrs (4) zu einem homogenen Brennstoff-Luftgemisch vermischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Drallkörpers, des Übergangsstückes (2) und/oder des Mischrohrs (4) wenigstens eine weitere Brennstoffzuführung (13) derart erfolgt, dass Brennstoff in Form eines Flüssigbrennstoffstrahls oder eines Brennstoffsprays oder einer gasförmigen Eindüsung unter einem Winkel α mit 90° < α < 180° relativ zur Brennerachse (A) eingespeist wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführung (13) symmetrisch zur Brennerachse (A) erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführung (13) über wenigstens zwei in einer gemeinsamen, die Brennerachse (A) senkrecht schneidenden Querschnittsebene liegenden Brennstoffeinspeisungsstellen (13) erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 , bei dem der Wärmeerzeuger eine Brennkammer für den Antrieb einer Gasturbinenanlage ist, dadurch gekennzeichnet, dass der die Brennstoffeinspeiung (13) dosiert in Abhängigkeit des Lastpunktes des Gasturbinenanlage erfolgt.