WO2006094896A1

WO2006094896A1 - Brenner und ringbrennkammer zur flammenlosen verbrennung

Info

Publication number: WO2006094896A1
Application number: PCT/EP2006/060113
Authority: WO
Inventors: Elisabetta Carrea; Gianfranco Di Fuccia; Mario Künzelmann
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2006-09-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner zur flammenlosen beziehungsweise verdünnten Verbrennung, umfassend eine Mehrzahl von Düsen (8), die auf einem ersten Kreis (9) angeordnet sind, wobei die kreisförmig angeordneten Düsen (8) eine düsenfreie Innenfläche (10) umschließen, und eine Ringbrennkammer zur flammenlosen Verbrennung, insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbogruppe, mit einer Mehrzahl von Brennern zur flammenlosen beziehungsweise verdünnten Verbrennung, wobei die Brenner auf einem oder mehreren Brennkammerkreisen angeordnet sind.

Description

Brenner und Ringbrennkammer zur flammenlosen Verbrennung

Technisches Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft einen Brenner zur flammenlosen Verbrennung gemäss Anspruch 1 und eine Ringbrennkammer zur flammenlosen Verbrennung, insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbogruppe, gemäss Anspruch 15.

Stand der Technik

Bei der Energieerzeugung mittels Gasturbogruppen ist es bekannt, im Verbrennungsprozess die bisher in Brennern typischerweise auftretende Flammenfront durch eine nicht sichtbare Volumenflamme zu ersetzen. Dies wird erreicht, indem ein brennbares Gemisch aus Brennstoff und

Oxidationsmittel, insbesondere Luft, bei nicht oder nur gering erhöhtem Druck auf Temperaturen oberhalb des Selbstentzündungsschwellwertes des Gemisches gebracht wird. Durch diese Verbrennungstechnik können Stickstoffoxidemissionen minimiert werden, die bei herkömmlichen, auf der Verwendung vorerwärmter Verbrennungsluft basierenden Verbrennungsprozessen verstärkt auftreten.

Aus der WO 2004/053395 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen eines Brennstoffes, insbesondere in einer Gasturbogruppe, bekannt, bei der ein Brennstoff oder ein brennbares Gemisch als Brennfluid- Freistrahl in den Brennraum eingebracht wird. Durch eine hinreichend große Geschwindigkeit des Freistrahls wird im Brennraum befindliches Rauchgas mitgerissen, wodurch das Brennfluid verdünnt und auf eine Temperatur gebracht wird, welche zu einer Selbstentzündung des Brennfluids führt. Das Verfahren sieht vor, dass die Strömung des Freistrahls derart bemessen ist, dass zumindest ein Teil des Rauchgases durch eine strahlinduzierte brennrauminteme Rezirkulation dem Brennfluid-Freistrahl zugemischt wird. Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht im einfachsten Fall aus einer Frontplatte eines Brenners, die eine Öffnung mit Mitteln zur Zufuhr von Brennfluid aufweist. In dieser Öffnung ist eine Eintrittsdüse zur Erzeugung eines Brennfluid-Freistrahls angeordnet. Diese Eintrittsdüsen sind als Hochgeschwindigkeitsdüsen ausgebildet, so dass ein ausreichend hoher Impuls im Rauchgas erzeugt wird, um eine brennrauminteme Rezirkulation des Rauchgases durch ein Mitreißen eines Teils des Rauchgases mit dem Brennfluid-Freistrahl zu erzielen. Außerdem wird das Brennfluid dadurch entsprechend verdünnt und die Temperatur des Brennfluids bis oberhalb eines Selbstentzündungsschwellwertes erhöht, so dass sich das Gemisch selbst entzündet und aufgrund der starken Verdünnung mit einer nicht sichtbaren Volumenflamme verbrennt.

Weiterhin werden in der WO 2004/053395 verschiedene Ausführungsformen des Brenners beschrieben, die unterschiedliche Ausgestaltungen und

Anordnungen von einzelnen oder Gruppen von Eintrittsdüsen umfassen. Mit der Anordnung und Ausgestaltung einer zentralen Eintrittsdüse umgeben von einer koaxialen Eintrittsdüse oder mehreren kleinen Eintrittsdüsen können unterschiedliche brennstoffarme oder brennstoffreiche Gemische in den Brennraum eingebracht werden. Durch einen in den Eintrittsdüsen vorgesehenen Drallerzeuger kann den Brennfluidstrahlen außerdem ein Drall aufgeprägt werden. Diese Maßnahmen dienen dazu, abhängig von der Ausgestaltung der Brennkammer eine komplette, möglichst schadstoffarme Verbrennung über einen größtmöglichen Betriebs- beziehungsweise Lastbereich zu erzielen.

Abhängig vom Energiebedarf werden in Verbrennungskammern, insbesondere von Gasturbinen, mehrere Brenner eingesetzt. Auftretende Verbrennungsinstabilitäten, beispielsweise verursacht durch Verbrennungsdruckschwankungen, erweisen sich häufig als problematisch und können zu einer hohen mechanischen Beanspruchung und einer verkürzten Lebensdauer der Verbrennungsanlage führen. Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Brenner und eine Ringbrennkammer zur flammenlosen Verbrennung, insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbogruppe, vorzuschlagen, die einen hohen

Wirkungsgrad der Verbrennung mit geringen Schadstoffemissionen unter Verringerung der üblicherweise auftretenden Verbrennungsinstabilitäten ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch einen Brenner zur flammenlosen Verbrennung gemäss dem Patentanspruch 1 und eine Ringbrennkammer zur flammenlosen Verbrennung, insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbogruppe, gemäß dem Patentanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Gemäß der Erfindung hat es sich als vorteilhaft für eine Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad und niedrigen Schadstoffemissionen unter Verringerung der üblicherweise auftretenden Verbrennungsinstabilitäten, insbesondere eine Verbrennung mit einer nicht sichtbaren Volumenflamme (oder auch flammenlose Verbrennung genannt) herausgestellt, wenn die eingesetzten Brenner mehrere kreisförmig angeordnete Düsen aufweisen, wobei die Düsen auf einem oder mehreren konzentrischen Kreisen angeordnet sein können. Weiterhin kann es von Vorteil sein, mehrere, eine flammenlose Verbrennung ermöglichende Brenner kreisförmig in einer oder mehreren Reihen in einer Ringbrennkammer anzuordnen.

Die Erfindung betrifft nun konkret einen Brenner zur flammenlosen beziehungsweise verdünnten Verbrennung, umfassend eine Mehrzahl von Düsen, die auf einem ersten Kreis angeordnet sind, wobei die kreisförmig angeordneten Düsen eine düsenfreie Innenfläche umschließen. Die geometrische Anordnung und Ausgestaltung der einzelnen Düsen eines Brenners ermöglicht die gewünschte möglichst große Ausweitung des Flammenvolumens innerhalb der Ringbrennkammer sowie eine Minimierung der Verbrennungsinstabilitäten. Aufgrund der Nutzung der strahlinduzierten brennraumintemen Rauchgaszirkulation kann die Vorrichtung ohne aufwändige Rauchgasrückführungen betrieben werden.

Bevorzugt ist der Brenner derart ausgebildet, dass der Durchmesser der düsenfreien Innenfläche des Brenners größer ist als der zweifache Durchmesser der Düsen.

Weiterhin kann der Brenner derart ausgebildet sein, dass eine Mehrzahl weiterer Düsen auf einem zweiten Kreis oder mehreren weiteren Kreisen angeordnet sind, wobei der zweite Kreis oder die weiteren Kreise konzentrisch zu dem ersten Kreis angeordnet sind und der Durchmesser des zweiten Kreises oder der weiteren Kreise größer ist als der Durchmesser des ersten Kreises. Die Wahl einer geeigneten Anzahl von Kreisen und von Düsen pro Kreis ist abhängig von der Geometrie der Ringbrennkammer.

Insbesondere ist der Brenner derart ausgebildet, dass die Mehrzahl weiterer Düsen auf einem zweiten oder weiteren Kreisen in der Weise angeordnet sind, dass der Abstand zwischen benachbart angeordneten Düsen des zweiten oder weiteren Kreises groß genug ist, um eine Rezirkulation und ein Mitreissen von Rauchgas zwischen den Düsen des ersten Kreises zu ermöglichen. Eine Einmischung von Rauchgas und eine damit verbundene Temperaturerhöhung kann damit zuerst im Bereich der Düsen des zweiten Kreises, später dann im Bereich der Düsen des ersten Kreises, d.h. im inneren Bereich der Düsenanordnung geschehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Brenner derart ausgebildet, dass der Mittelpunkt je einer weiteren Düse des zweiten oder weiteren Kreises auf der Winkelhalbierenden zwischen zwei Düsen des ersten Kreise zu liegen kommt. Mit einer derartigen Anordnung der Düsen kann eine Rezirkulation und ein Mitreissen von Rauchgas für die Düsen im inneren Bereich der Düsenanordnung gewährleistet werden. Weiterhin kann der Brenner derart ausgebildet sein, dass alle Düsen des ersten und zweiten Kreises oder der weiteren Kreise gleich sind.

Ferner kann der Brenner derart ausgebildet sein, dass die Düsen eine zentral angeordnete Düse umfassen.

Die verschiedenen Ausführungsformen des Brenners können auch dahingehend variiert werden, dass beispielsweise eine oder mehrere zentrale Düsen von einer konzentrischen Düse umgeben sein können, die wiederum von mehreren weiteren Düsen umringt ist. Die Austrittsöffnungen der Düsen müssen nicht unbedingt in einer Ebene liegen. Es ist möglich, dass ein oder mehrere Düsen stromab in Eindüsungsrichtung liegen. Außerdem müssen die Einzelstrahlen nicht unbedingt parallel eingedüst werden. Mit einer geeigneten Wahl der Eindüsungsrichtung oder der Divergenz der

Eindüsungsstrahlen kann die Überlagerung der Einzelstrahlen zu einem Gesamtstrahl beeinflusst werden bzw. ein Kreuzungspunkt der Einzelstrahlen festgelegt werden. Weiterhin können die verschiedenen Ausführungsformen des Brenners auch dahingehend kombiniert werden, dass nicht nur Brenner mit gleicher Düsenanordnung kreisförmig in einer oder mehreren Reihen angeordnet sind, sondern auch Brenner mit unterschiedlicher Düsenanordnung, um die gewünschte Rezirkulation und Vermischung des Brennfluids mit Rauchgas und damit die gewünschte flammenlose Verbrennung mit geringen Verbrennungsinstabilitäten zu erreichen.

Bevorzugt ist der Brenner derart ausgebildet, dass die Düsen unabhängig voneinander mit je einem Brennfluid beaufschlagbar sind.

Insbesondere umfasst der Brenner Mittel zur Vormischung von einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel, die derart steuerbar sind, dass eine Luftzahl des den Düsen zugeleiteten Brennfluids für jede Düse unabhängig voneinander einstellbar ist. Der Ort der Selbstzündung kann durch die Luftzahlen der Brennfluids beeinflusst werden. Beispielsweise kann mit den Düsen des ersten Kreises ein brennstoffreiches Gemisch (Luftzahl kleiner als die Gesamtluftzahl des Brenners und vorzugsweise unter 1 ) eingedüst werden. Durch die Düsen des zweiten oder weiterer Kreise kann ein brennstoffarmes Gemisch (Luftzahl größer 1 ) eingedüst werden. Eine Einmischung von Rauchgas und eine damit verbundene Temperaturerhöhung geschieht zuerst im brennstoffarmen äußeren Bereich, später dann im brennstoffreichen inneren Bereich. Da das brennstoffarme Gemisch aufgrund seiner Stöchiometrie später zündet als ein brennstoffreiches Gemisch, kann der Ort der Zündung damit stromab in Eindüsungsrichtung verschoben werden. Analog dazu kann durch eine Eindüsung eines brennstoffarmen Gemischs durch die Düsen des ersten Kreises und eines brennstoffreichen Gemischs durch die Düsen des zweiten oder weiterer Kreise der Ort der Selbstzündung stromauf in Eindüsungsrichtung verschoben werden. Da die Rezirkulationsrate eine Funktion des Abstandes vom Düsenaustritt ist, kann mit unterschiedlichen Luftzahlen des zugeleiteten Brennfluids die Menge des rezirkulierten Rauchgases beeinflusst werden.

Weiterhin kann der Brenner Mittel zur Verstellung des Massenstromes umfassen, welche derart regelbar sind, dass der Massenstrom und damit das Strahlmoment eines aus den Düsen austretenden Brennfluid-Freistrahls für jede Düse unabhängig voneinander einstellbar ist. Ein bestimmter Massenstrom kann somit auf unterschiedliche Düsen aufgeteilt werden, womit der Austrittsimpuls der Brennfluid-Freistrahlen und damit die Rezirkulationsrate variiert werden kann. Eine Eindüsung von Brennfluid mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bezogen auf benachbarte Düsen kann eine Entstehung von Oszillationen, die durch Schwankungen in der Verbrennungsleistung entstehen, verhindern.

Um eine erhöhte Rauchgaszirkulation zu erreichen, kann der Brenner derart ausgebildet ist, dass mindestens eine der Düsen einen Drallerzeuger aufweist. Vorzugsweise handelt es sich hier um mechanische Drallerzeuger, die unmittelbar in der Düse oder in der zugehörigen Brennfluidzuführung angeordnet sein können. Dazu zählen beispielsweise schraubenförmige Drallerzeuger oder Systeme, die Leitbleche zur Drallerzeugung einsetzen. Es können ein Teil oder alle Brennfluid-Freistrahlen mit einem Drall versehen werden. Der Drall kann zu einem breiteren Austrittswinkel des Freistrahls mit einem stärkeren Geschwindigkeitsabfall führen und so das Mitreißen des umgebenden Rauchgases verbessern.

Insbesondere kann der Drallerzeuger variabel zur Veränderung der erzeugten Drallzahl ausgeführt sein. Regelbare Drallerzeuger können dann erforderlich sein, wenn abhängig von bestimmten Betriebsbedingungen unterschiedliche Drallkomponenten im Brennfluid-Freistrahl erzeugt werden sollen.

Beispielsweise kann unter Betriebsbedingungen, bei dem keine flammenlose Verbrennung möglich ist und sich eine Verbrennung mit Flammenfront ausbildet, die Aufprägung eines Dralls mit einer anderen Drallzahl günstiger sein als beim normalen Betrieb mit flammenloser Verbrennung.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Brenner derart ausgebildet sein, dass wenigstens zwei benachbart angeordnete Düsen Drallerzeuger zur Erzeugung eines gegensinnigen Dralls aufweisen. Werden die Freistrahlen benachbart angeordneter Düsen gegensinnig verdrallt, kann dies zu einer erhöhten Rauchgaszirkulation und einer besseren Vermischung von Brennfluid und Rauchgas führen.

Bevorzugt prägt der Drallerzeuger dem Brennfluid-Freistrahl eine Drallzahl unter etwa 0,6 auf. Die Aufprägung eines Dralls mit einer Drallzahl unter etwa 0,6 kann eine erhöhte Rauchgaszirkulation ermöglichen, ohne dass sich lokale Rezirkulationszonen ausbilden. Lokale Rezirkulationszonen können zu einem sogenannten Vortex Breakdown und der Ausbildung einer drallstabilisierten Flamme mit einer stabilen Flammenfront führen, die gemäß der Erfindung im normalen Betriebszustand unerwünscht sein kann. Die Aufprägung eines Dralls mit einer Drallzahl von über etwa 0,6 kann eingesetzt werden, wenn aufgrund besonderer Betriebsbedingungen kein flammenloser Betrieb möglich ist, beispielsweise beim Start des Brenners, wenn noch nicht genügend heißes Rauchgas zur Verfügung steht. Die Erfindung betrifft ferner eine Ringbrennkammer zur flammenlosen Verbrennung, insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbogruppe, mit einer Mehrzahl von Brennern zur flammenlosen beziehungsweise verdünnten Verbrennung, wobei die Brenner auf einem oder mehreren Brennkammerkreisen angeordnet sind.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Ringbrennkammer zur flammenlosen Verbrennung, insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbogruppe, mit einer Mehrzahl von Brennern gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die

Brenner auf einem oder mehreren Brennkammerkreisen angeordnet sind. Um die gewünschte möglichst große Ausweitung des Flammenvolumens mit minimalen Verbrennungsinstabilitäten zu erreichen und um auf aufwändige Rauchgasrückführungen zu verzichten, kann durch die Kombination der geometrische Anordnung und Ausgestaltung der einzelnen Düsen eines

Brenners als auch die kreisförmige Anordnung der einzelnen Brenner in einer oder mehreren Reihen eine optimale brennrauminteme Rezirkulation des Rauchgases erreicht werden, die eine flammenlose Verbrennung mit niedrigen Schadstoffemissionen ermöglicht.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners gemäß vorliegender Erfindung, in welchem die Düsen so betrieben werden, dass die aus den Düsen austretenden Brennfluid-Freistrahlen gleiche Strahlmomente aufweisen.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners gemäß vorliegender Erfindung, in welchem die Düsen so betrieben werden, dass die aus den Düsen austretenden Brennfluid-Freistrahlen unterschiedliche Strahlmomente aufweisen. Vorteile dieses Verfahrens ergeben sich wie bereits in der Beschreibung der Vorrichtungsansprüche beschrieben. Vorzugsweise sind die Strahlmomente der aus den Düsen des zweiten Kreises oder der weiteren Kreise austretenden Brennfluid-Freistrahlen größer als die Strahlmomente der aus den Düsen des ersten Kreises austretenden Brennfluid-Freistrahlen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind die Strahlmomente der aus den Düsen des zweiten Kreises oder der weiteren Kreise austretenden Brennfluid-Freistrahlen etwa 10 Prozent größer als die Strahlmomente der aus den Düsen des ersten Kreises austretenden Brennfluid-Freistrahlen. Das Eindüsen von Freistrahlen mit unterschiedlichen Strahlmomenten kann zu einer verbesserten Mischung von Brennfluid und Rauchgas und damit zu einer verbesserten Verbrennung führen. In Verbindung mit einer kreisförmigen Anordnung der Brenner in einer Ringbrennkammer kann die möglichst gleichmäßige Ausbildung einer Volumenflamme zur Realisierung einer flammenlosen Verbrennung realisiert werden. Mit einer Variation des Massenstroms für unterschiedliche Düsen kann der Austrittsimpuls der Brennfluid-Freistrahlen und damit die Rezirkulationsrate variiert werden kann. Eine Eindüsung von Brennfluid mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bezogen auf benachbarte Düsen kann eine Entstehung von Oszillationen, die durch Schwankungen in der Verbrennungsleistung entstehen, verhindern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend anhand von

Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 als erstes Ausführungsbeispiel einen Ausschnitt der Ringbrennkammer mit einer kreisförmig angeordneten Reihe von

Brennern, die als Brenner mit zwei Reihen von konzentrisch angeordneten Düsen ausgeführt sind; Fig. 2 als zweites Ausführungsbeispiel einen Ausschnitt der

Ringbrennkammer mit zwei kreisförmig angeordneten Reihen von

Brennern, die als Brenner mit zwei Reihen von konzentrisch angeordneten Düsen ausgeführt sind; Fig. 3 ein charakteristisches Zeitdiagramm einer flammenlosen

Verbrennung in einer Ringbrennkammer mit einer in Fig. 3 dargestellten Anordnung von Brennern; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Gasturbogruppe mit Brennern und einer Ringbrennkammer gemäß der Erfindung; Fig. 5 eine erste Anordnung von Düsen gemäß dem Stand der Technik mit einer zentralen Düse, die von einer weiteren konzentrischen

Düse umschlossen ist, und Fig. 6 eine zweite Anordnung von Düsen gemäß dem Stand der Technik mit einer zentralen Düse und mehreren konzentrisch angeordneten Reihen von äußeren Düsen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Figuren 5 und 6 zeigen zwei Anordnungen von Düsen für Brenner gemäß der WO 2004/053395.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 wird in einem Brenner 1 eine zentrale Düse 2 von einer konzentrischen Düse 3 umschlossen. Bevorzugt können beide Düsen 2, 3 unabhängig voneinander Brennfluid in die Brennkammer eindüsen. Der Freistrahl der zentralen Düse 2 vermischt sich in einem bestimmten Abstand von den Düsen 2, 3 mit dem Strahl der konzentrischen äußeren Düse 3. Durch den Austrittsimpuls der mit hoher Geschwindigkeit eingedüsten Brennfluid-Freistrahlen wird eine Rezirkulation des heißen Rauchgases hervorgerufen, das von den Freistrahlen mitgerissen wird und damit das Brennfluid verdünnt und erhitzt. Bei der Anordnung gemäß Fig. 6 wird eine zentrale Düse 2 von mehreren konzentrisch angeordneten Reihen von äußeren Düsen 4 umgeben. Auch eine unregelmäßige Anordnung mehrerer äußerer Düsen 4 ist möglich, um die Symmetrie des Systems zu stören und somit selbstinduzierte Pulsationen zu unterdrücken. Bevorzugt können die zentrale Düse 2 und die äußeren Düsen 4 unabhängig voneinander Brennfluid in die Brennkammer eindüsen. Die einzelnen Freistrahlen vermischen sich in einem bestimmten Abstand von den Düsen 2, 4 miteinander. Auch hier wird eine Rezirkulation des heißen Rauchgases durch den Austrittsimpuls der Brennfluid-Freistrahlen hervorgerufen. Um die Rezirkulationsrate zu erhöhen, werden bevorzugt Drallerzeuger 5 in einem Teil oder allen Düsen 2, 4 eingesetzt.

Fig. 1 zeigt als Ausschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel der Ringbrennkammer 6 gemäß vorliegender Erfindung mit einer kreisförmig angeordneten Reihe von Brennern 1 gemäß vorliegender Erfindung. Die Brenner sind mit zwei Reihen von konzentrisch angeordneten Düsen 8 ausgeführt. Die Düsen 8 befinden sich auf einem ersten Kreis 9 und einem zweiten Kreis 12, wobei der Durchmesser des zweiten Kreises 12 größer ist als der Durchmesser des ersten Kreises 9. Die Kreise 9 und 12 sind um eine düsenfreie Innenfläche 10 angeordnet, deren Durchmesser vorzugsweise größer ist als der zweifache Durchmesser der Düsen 8. Alternativ können die Düsen 8 auf mehr als zwei Kreisen angeordnet sein. Dabei sollte der Abstand 13 zwischen benachbart angeordneten Düsen 8 des zweiten Kreises 12 so gewählt werden, dass er groß genug ist, um eine Rezirkulation und ein Mitreißen des Rauchgases zwischen den Düsen 8 des ersten Kreises 9 zu ermöglichen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Düsen 8 des zweiten Kreises 12 derart angeordnet, dass ihr Mittelpunkt 14 auf einer Winkelhalbierenden 15 zwischen zwei Düsen 8 des ersten Kreises zu liegen kommt.

Ebenfalls möglich sind Brennerausführungen mit einer zentralen Düse, die von einer konzentrisch um die erste Düse verlaufenden zweiten Düse oder mehreren konzentrisch um die erste Düse angeordneten weiteren Düsen umgeben ist, wie sie in der WO 2004/053395 beschrieben sind. Brenner mit nicht kreisförmigen Düsen können ebenfalls verwendet werden.

Um eine gute Rezirkulationsrate und das Mitreißen von genügend Rauchgas für eine flammenlose Verbrennung zu erreichen, können einige oder alle Düsen 8 mit Drallerzeugern versehen sein. Die Drallerzeuger können außerdem so ausgerichtet sein, dass benachbarte Düsen 8 einen gegensinnigen Drall des Brennfluid-Freistrahls erzeugen, um eine gute Vermischung des Brennfluids mit dem Rauchgas zu erzielen. Um während des Verbrennungsvorgangs unterschiedliche Drallzahlen einstellen zu können, können die Drallerzeuger regelbar ausgeführt sein.

Vorzugsweise werden bei diesen genannten Düsenanordnungen Brennfluide mit unterschiedlicher Stöchiometrie, d.h. unterschiedlichen Luftzahlen, durch die jeweiligen Düsen in die Brennkammer eingebracht.

Wählt man beispielsweise ein brennstoffreiches Gemisch (Luftzahl kleiner als 1 ) für die Eindüsung durch die Düsen 8 des ersten, d.h. inneren Kreises 9, also im inneren Eindüsungsbereich, und ein brennstoffarmes Gemisch (Luftzahl größer als 1 ) für die Eindüsung durch die Düsen des zweiten, d.h. äußeren Kreises 12, wird zuerst das brennstoffarme Gemisch durch das heiße Rauchgas verdünnt und erhitzt, danach erst das brennstoffreiche Gemisch im inneren Eindüsungsbereich. Da das brennstoffarme Gemisch aufgrund seiner Stöchiometrie später zündet als ein brennstoffreiches Gemisch, können unerwünschte, zu früh erfolgende Zündungen vermieden werden. Bei dieser Betriebsweise wird mit dem äußeren Freistrahl keine frühzeitige Selbstentzündung während der Vermischung mit dem Rauchgas ausgelöst, da dies die Stöchiometrie des brennstoffarmen Freistrahls vor der Vermischung mit dem brennstoffreichen Gemisch nicht zulässt.

Wird dagegen ein brennstoffarmes Gemisch (Luftzahl größer als 1) durch die Düsen des ersten Kreises 9, also im inneren Eindüsungsbereich, und ein brennstoffreiches Gemisch (Luftzahl kleiner als 1 ) durch die Düsen des zweiten Kreises 12 eingedüst, wird eine schnellere Selbstzündung erwartet. Der äußere brennstoffreiche Freistrahl reißt das umgebende Rauchgas mit sich, erhitzt sich dadurch und zündet leichter als eine brennstoffarme Mischung. Eine derartige Betriebsweise könnte beispielsweise beim Starten der Brenner von Vorteil sein, da das brennstoffreiche Gemisch im äußeren Freistrahl eine Selbstentzündung erleichtert.

Mit einer geeigneten Wahl der Luftzahlen der Brennfluids für die einzelnen Düsen 8 lässt sich der Zündzeitpunkt einstellen und somit die Rezirkulationsrate und der Verdünnungsgrad steuern. Die Luftzahlen der Brennfluids kann beispielsweise abhängig von der Last derart verändert werden, dass sich über den gesamten Verbrennungsprozess bei jeder Last eine optimale Verbrennung erreichen lässt.

Bei dieser Ausführungsform des Brenners 1 mit einzelnen umgebenden Freistrahlen ist der Einfluss der äußeren Freistrahlen auf die Rezirkulationsrate geringer als die Summe des jeweiligen Einflusses jedes einzelnen umgebenden Freistrahls erwarten lässt. Ursache dafür ist die Vermischung der einzelnen Freistrahlen in einem bestimmten Abstand zu den Düsen zu einem Gesamtstrahl. Die Einzelstrahlcharakteristik der einzelnen Freistrahlen geht damit verloren.

Um die Rezirkulationsrate dennoch zu erhöhen, werden deshalb bevorzugt Drallerzeuger in einem Teil oder allen Düsen 8 eingesetzt. Diese zumeist mechanischen Drallerzeuger befinden sich entweder in der Düse 8 selbst oder in der zugehörigen Brennfluidzuführung. In einer bevorzugten Anordnung des Brenners 1 werden variable Drallerzeuger eingesetzt. Sie ermöglichen die Anpassung der Drallzahl an veränderte Betriebsbedingungen.

Grundsätzlich können die in der WO 2004/053395 offenbarten Brennerausführungen ebenfalls für eine solche Brenneranordnung in einer Ringbrennkammer 6 eingesetzt werden. Um eine Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad und niedrigen Schadstoffemissionen, insbesondere eine Verbrennung mit einer nicht sichtbaren Volumenflamme, unter Verringerung der üblicherweise auftretenden Verbrennungsinstabilitäten zu gewährleisten, werden jedoch vorzugsweise die Brenner 1 eingesetzt, die ein vorgemischtes oder teilweise vorgemischtes Brennfluid als Freistrahl in die Brennkammer eindüsen. Wie bereits in der Anspruchsbeschreibung erläutert, kann der Ort der Selbstzündung durch die Luftzahlen der Brennfluids beeinflusst werden. Da die Rezirkulationsrate eine Funktion des Abstandes vom Düsenaustritt ist, kann mit unterschiedlichen Luftzahlen der zugeleiteten Brennfluids die Menge des rezirkulierten Rauchgases beeinflusst werden. In einer Brenneranordnung einer Ringbrennkammer 6 mit mehreren Brennern 1 kann sowohl durch eine geeignete Einstellung der Luftzahlen der innerhalb eines Brenners eingedüsten Brennfluids als auch durch eine geeignete Einstellung der

Gesamtluftzahl eines jeden Brenners 1 eine möglicht optimale Rezirkulation des heißen Rauchgases und eine möglichst optimale Vermischung des Brennfluids mit dem Rauchgas innerhalb der Ringbrennkammer erreicht werden.

Verbrennungsinstabilitäten treten häufig bei der Verbrennung in geschlossenen Brennkammern auf, da es hier zu einer Rückkopplung zwischen der Leistungsfreisetzung der Flamme und der Akustik kommt. Durch Schwankungen in der Leistungsfreisetzung der Verbrennung wird ein Schallfeld angeregt, dass wiederum Schwankungen in der

Verbrennungsleistung hervorruft. Ist das Rayleigh-Kriterium erfüllt, kommt es zu einer Selbstverstärkung der Oszillationen. Diese führen zu erhöhten mechanischen und thermischen Belastungen der Gasturbinenanlage. Durch eine Änderung des Mischverhältnisses von Brennstoff und Oxidationsmittel, d.h. durch eine Änderung der Luftzahl des Brennfluids kann der

Selbsterregungsmechanismus gestört werden. Dazu werden nicht nur innerhalb eines Brenners 1 Brennfluide mit unterschiedlichen Luftzahlen in die Brennkammer eingedüst. Innerhalb einer Ringbrennkammer 6 mit mehreren Brennern 1 kann jeder Brenner 1 Brennfluid mit einer zu anderen Brennern 1 unterschiedlichen Gesamtluftzahl eindüsen, die sich aus den einzelnen Luftzahlen der unterschiedlichen Brennfluide innerhalb eines Brenners 1 ergibt. Besitzen die Düsen 8 außerdem eine Brennfluid-Mischvorrichtung in der Brennfluidzuführung, die eine Regelung der Luftzahl des jeweiligen

Brennfluids ermöglicht, lässt sich die Brennstoffversorgung derart modulieren, dass die dadurch erzeugten Verbrennungsschwankungen genau gegengesetzt zu den selbsterregten Schwankungen erfolgen kann. Außerdem kann durch eine unsymmetrische Brennstoflversorgung in der Brennkammer, d.h. eine Eindüsung von Brennfluids mit unterschiedlicher Gesamtluftzahl und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bezogen auf benachbarte Brenner 1 , eine Entstehung von Oszillationen unterdrückt werden. Ebenso kann durch die Eindüsung mehrerer nicht phasengleich pulsierender Strahlen eine verbesserte Vermischung von Brennfluid und Rauchgas bei verkleinerter Gefahr von Verbrennungsdruckschwankungen erreicht werden.

Die hier offenbarte kreisförmige Anordnung von Brennern kann nicht nur in neuen Ringbrennkammern eingesetzt werden, sie eignet sich ebenfalls zur Nachrüstung bereits vorhandener Brennkammern.

Fig. 2 zeigt als Ausschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel der Ringbrennkammer 6 gemäß vorliegender Erfindung mit zwei kreisförmig angeordneten Reihen von Brennern 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Brenner 1 befinden sich auf einem ersten Brennkammerkreis 11' und einem zweiten Brennkammerkreis 11 , wobei der Durchmesser des zweiten Brennkammerkreises 11 größer ist als der Durchmesser des ersten Brennkammerkreises 11'. Die Brenner 1 sind als Brenner mit zwei Reihen von konzentrisch angeordneten Düsen 8 ausgeführt. Die Düsen 8 befinden sich auf einem ersten Kreis 9 und einem zweiten Kreis 12, wobei der Durchmesser des zweiten Kreises 12 größer ist als der Durchmesser des ersten Kreises 9. Die Kreise 9 und 12 sind um eine düsenfreie Innenfläche 10 angeordnet, deren Durchmesser vorzugsweise größer ist als der zweifache Durchmesser der Düsen 8. Alternativ können die Düsen 8 auf mehr als zwei Kreisen angeordnet sein. Alternativ können auch Brenner 1 mit anderen Düsenanordnungen eingesetzt werden, wie sie schon in der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels in Fig. 3 aufgeführt sind. Um eine gute Rezirkulationsrate und das Mitreißen von genügend Rauchgas für eine flammenlose Verbrennung zu erreichen, können ebenfalls, wie in der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels erwähnt, einige oder alle Düsen 8 mit Drallerzeugern versehen sein. Auch hier können die Drallerzeuger so ausgerichtet sein, dass benachbarte Düsen 8 einen gegensinnigen Drall des Brennfluid-Freistrahls erzeugen, um eine gute Vermischung des Brennfluids mit dem Rauchgas zu erzielen, oder regelbar ausgeführt sein, um während des Verbrennungsvorgangs unterschiedliche Drallzahlen einstellen zu können.

Alternativ können die Brenner 1 auch in mehr als zwei kreisförmigen Reihen angeordnet sein. Die Wahl der Anzahl der Reihen und der Anzahl der Brenner 1 pro Reihe ist abhängig von der Geometrie der Ringbrennkammer sowie des Energiebedarfs, den beispielsweise eine Gasturbogruppe, in der diese Brenneranordnung realisiert ist, decken soll. Ziel ist es in jedem Fall, eine möglichst optimale flammenlose Verbrennung mit möglichst geringen Schadstoffemissionen und Verbrennungsinstabilitäten zu erreichen.

Fig. 3 zeigt ein charakteristisches Zeitdiagramm einer flammenlosen Verbrennung in einer Ringbrennkammer mit einer in Fig. 2 dargestellten Anordnung von Brennern 1. Aufgetragen sind in der Zeitachse die Vermischungszeit, die Verzögerungszeit für die Selbstentzündung, die Ausbrennzeit und die daraus resultierende Gesamtprozesszeit in Abhängigkeit von der Last. Ebenfalls aufgetragen in der Längenachse ist die minimale Brennkammerlänge für einen kompletten Verbrennungsprozess. Es ist erkennbar, das sich die insgesamt notwendige Verweilzeit in der Brennkammer mit niedrigen Lasten erhöht.

Die Geometrie der Brennkammer muss nun derart gewählt werden, dass eine komplette Verbrennung bei beliebigen Lasten ermöglicht wird. Weiterhin muss beachtet werden, dass sich die Stickoxid-Schadstoffemissionen mit einem größeren Volumen der Brennkammer erhöhen, da sich die Verweilzeit erhöht. Typischerweise ist die insgesamt notwendige Verweilzeit in einer Brennkammer einer Gasturbine ungefähr 5 ms bei voller Last. Bei niedrigen Lasten kann sich die Verweilzeit aufgrund des brennstoffärmeren Gemischs und der niedrigeren Temperatur auf bis zu 40 ms und mehr erhöhen. Die Ausgestaltung einer Brennkammer, unter anderem das Volumen und die Brennkammerlänge, muss deshalb derart gewählt werden, dass eine komplette Verbrennung bei beliebigen Lasten gewährleistet ist und die Stickoxid-Schadstoffemissionen entsprechend minimiert werden.

Eine derartige Zeitanalyse einer flammenlosen Verbrennung in einer Ringbrennkammer mit einer Brenneranordnung 6 wie dargestellt in Fig. 2 kann ebenso herangezogen werden, wenn bereits vorhandene Brennkammern mit einer derartigen Brenneranordnung nachgerüstet werden, um eine möglichst optimale Verbrennung mit geringen Schadstoffemissionen zu erreichen.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasturbogruppe mit Brennern und einer Ringbrennkammer gemäß der Erfindung. Dabei sind ein Generator 16, ein Verdichter 17 und eine Turbine 21 gemeinsam auf einer Welle 20 angeordnet. Der Verdichter 17 verdichtet Umgebungsluft und führt diese verdichtete Luft 22 dem Brennraum 19 der Ringbrennkammer 18 zu. Im Brennraum 19 der Ringbrennkammer 18 wird der Brennstoff in der Luft 22 verbrannt. Die durch die Verbrennung gebildeten Rauchgase 23 treiben die Turbine 21 an. Diese wiederum treibt nun den Generator 16 und den Verdichter 17 an. Um die Temperatur des Brennstoff-Luft-Gemisches zu erhöhen, wird innerhalb der Ringbrennkammer 18 rezirkuliertes Rauchgas beigemischt. Im Fall der gewünschten flammenlosen Verbrennung wird die Temperatur des Brennstoff-Luft-Gemischs bis oberhalb eines

Selbstentzündungsschwellwertes erhöht, so dass sich das Gemisch selbst entzündet und aufgrund der starken Verdünnung mit einer nicht sichtbaren Volumenflamme verbrennt. Durch die brennrauminteme Rauchgaszirkulation kann auf eine externe Rauchgaszuführung verzichtet werden.

Bezugszeichenliste

I Brenner 2 zentrale erste Düse

3 konzentrische zweite Düse

4 äußere Düsen

5 Drallerzeuger

6 Ausschnitt einer Ringbrennkammer 8 Düsen

9 erster Kreis einer Düsenanordnung

10 düsenfreie Innenfläche

I 1 erster Brennkammerkreis

11 ' zweiter Brennkammerkreis 12 zweiter Kreis einer Düsenanordnung

13 Abstand zwischen benachbart angeordneten Düsen

14 Mittelpunkt einer Düse

15 Winkelhalbierende zwischen zwei Düsen des ersten Kreises

16 Generator 17 Verdichter

18 Ringbrennkammer

19 Brennraum

20 Welle

21 Turbine 22 komprimierte Umgebungsluft

23 Rauchgas

Claims

Patentansprüche

1. Brenner (1 ) zur flammenlosen beziehungsweise verdünnten Verbrennung, umfassend: eine Mehrzahl von Düsen (8), die kreisförmig auf einem ersten Kreis (9) angeordnet sind, wobei die kreisförmig angeordneten Düsen (8) eine düsenfreie Innenfläche (10) umschließen.

2. Brenner gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dass der Durchmesser der düsenfreien Innenfläche (10) des Brenners (1 ) größer ist als der zweifache Durchmesser der Düsen (8).

3. Brenner gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl weiterer Düsen (8) auf einem zweiten Kreis (12) oder auf mehreren weiteren Kreisen angeordnet sind, wobei der zweite Kreis (12) oder die weiteren Kreise konzentrisch zu dem ersten Kreis (9) angeordnet sind und der Durchmesser des zweiten Kreises (12) oder der weiteren Kreise größer ist als der Durchmesser des ersten Kreises (9).

4. Brenner gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl weiterer Düsen (8) auf einem zweiten oder weiteren Kreisen (12) in der Weise angeordnet sind, dass der Abstand (13) zwischen benachbart angeordneten Düsen (8) des zweiten oder weiteren Kreises (12) groß genug ist, um eine Rezirkulation und ein Mitreissen von Rauchgas zwischen den Düsen (8) des ersten Kreises

(9) zu ermöglichen.

5. Brenner gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelpunkt (14) je einer weiteren Düse (8) des zweiten oder weiteren Kreises (12) auf der Winkelhalbierenden (15) zwischen zwei Düsen (8) des ersten Kreises (9) zu liegen kommt.

6. Brenner gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Düsen (8) des ersten und zweiten Kreises (9, 12) oder der weiteren Kreise gleich sind.

7. Brenner gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (8) eine zentral angeordnete Düse umfassen.

8. Brenner gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (8) unabhängig voneinander mit je einem Brennfluid beaufschlag bar sind.

9. Brenner gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel zur Vormischung von einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel umfasst, die derart steuerbar sind, dass eine Luftzahl des den Düsen (8) zugeleiteten Brennfluids für jede Düse (8) unabhängig voneinander einstellbar ist.

10. Brenner gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel zur Verstellung des Massenstromes umfasst, welche derart regelbar sind, dass der Massenstrom und damit das Strahlmoment eines aus den Düsen (8) austretenden Brennfluid-Freistrahls für jede Düse (8) unabhängig voneinander einstellbar ist.

11. Brenner gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Düsen (8) einen Drallerzeuger aufweist.

12. Brenner gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger variabel zur Veränderung der erzeugten Drallzahl ausgeführt ist.

13. Brenner gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei benachbart angeordnete Düsen (8) Drallerzeuger zur Erzeugung eines gegensinnigen Dralls aufweisen.

14. Brenner gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger dem Brennfluid-Freistrahl eine Drallzahl unter etwa 0,6 aufprägt.

15. Ringbrennkammer (6) zur flammenlosen Verbrennung, insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbogruppe, mit einer Mehrzahl von Brennern (1) zur flammenlosen beziehungsweise verdünnten Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenner (1 ) auf einem oder mehreren Brennkammerkreisen (11 , 11') angeordnet sind.

16. Ringbrennkammer (6) zur flammenlosen Verbrennung, insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbogruppe, mit einer Mehrzahl von Brennern gemäß den Ansprüchen 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Brenner (1 ) auf einem oder mehreren Brennkammerkreisen (11 , 11') angeordnet sind.

17. Verfahren zum Betreiben eines Brenners (1 ) gemäß einem der

Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (8) so betrieben werden, dass die aus den Düsen (8) austretenden Brennfluid-Freistrahlen gleiche Strahlmomente aufweisen.

18. Verfahren zum Betreiben eines Brenners (1 ) gemäß einem der

Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (8) so betrieben werden, dass die aus den Düsen (8) austretenden Brennfluid-Freistrahlen unterschiedliche Strahlmomente aufweisen.

19. Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlmomente der aus den Düsen (8) des zweiten Kreises (12) oder der weiteren Kreise austretenden Brennfluid-Freistrahlen größer sind als die Strahlmomente der aus den Düsen (8) des ersten Kreises (9) austretenden Brennfluid-Freistrahlen.

20. Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlmomente der aus den Düsen (8) des zweiten Kreises (12) oder der weiteren Kreise austretenden Brennfluid-Freistrahlen etwa 10 Prozent größer sind als die Strahlmomente der aus den Düsen (8) des ersten Kreises (9) austretenden Brennfluid-Freistrahlen..