WO2009068425A1 - Vormischbrenner für eine gasturbine - Google Patents

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WO2009068425A1
WO2009068425A1 PCT/EP2008/065116 EP2008065116W WO2009068425A1 WO 2009068425 A1 WO2009068425 A1 WO 2009068425A1 EP 2008065116 W EP2008065116 W EP 2008065116W WO 2009068425 A1 WO2009068425 A1 WO 2009068425A1
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burner
liquid
lance
gaseous
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PCT/EP2008/065116
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Adnan Eroglu
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Alstom Technology Ltd
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    • F23D17/002Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00002Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]

Definitions

  • Swirl generator and a downstream mixing tube for the combustion of at least one fuel resp. for operation with one or more fuels, in particular for use in a gas turbine. Furthermore, the present invention also relates to a method for operating such a premix burner.
  • Burners for the combustion of liquid and / or gaseous fuels, in particular for use in a gas turbine, are known, which on the one hand have a high stability during operation, and on the other hand have good properties with respect to the NOx values.
  • the premix burner described therein is a conical burner consisting of several shells, a so-called double-cone burner, for producing a closed swirl flow in the conical head, which becomes unstable due to the increasing swirl along the conical tip and merges into an annular swirl flow with backflow in the core.
  • Fuels such as gaseous fuels, are injected along the channels formed by the individual adjacent shells, also called air inlet slots, and homogeneously mixed with the air before combustion by ignition at the stagnation point of the recirculation zone or backflow bubble, which performs the function of a device-free flame holder , Liquid fuels are preferably injected via a central nozzle on the burner head and then evaporate in the conical cavity.
  • AEV burner As it has become known for example from EP-A1-704 657.
  • the proposed burner has a swirl generator on the head side, which uses the basic aerodynamic principles of the EV burner already described above, for example according to EP-A1-0 321 809.
  • This swirl generator is arranged upstream of a mixing section whose structure will be explained in more detail below.
  • a swirl generator which consists of a cylindrical or quasi-cylindrical tube, in which the air flows through similar longitudinal slots as in the EV swirl generator into the interior of the tube, wherein the desired swirling of the air to maximize the desired Premixing with a fuel injected at a suitable point takes place through a conically extending inner body, whereby this inner body tapers conically in the flow direction, whereby here too the conditions for an efficient swirl flow are given.
  • the mixing section itself preferably consists of a tubular mixing element, referred to below as the mixing tube, which permits perfect premixing of the fuels used or of the fuels used.
  • the flow from the swirl generator is thereby transferred seamlessly into the mixing tube. This is done by a transition geometry, which consists of transition channels, which form the head of this mixing tube, and which, as already indicated, transfer the flow in the subsequent effective flow cross-section of the mixing tube.
  • This lossless flow introduction between swirl generator and mixing tube initially prevents the immediate formation of a backflow zone at the outlet of the swirl generator.
  • the swirl intensity in the swirl generator is chosen by its geometry so that the bursting of the vortex is not in the mixing tube, but further downstream of the combustion chamber inlet, the length of this mixing tube is dimensioned so that there is sufficient mixing quality for all fuel types. If, for example, the swirl generator used is constructed according to the principles of the double-cone burner, then so the swirl strength results from the design of the corresponding cone angle, the air inlet slots and their number. In the mixing tube itself, the axial velocity profile has a pronounced maximum on the axis and thus prevents flashbacks in this area. The axial velocity drops towards the wall.
  • the entire speed level can be increased by using a mixing tube with a sufficiently small diameter.
  • Another possibility is to increase only the speed in the outer region of the mixing tube by a small portion of the combustion air flows through an annular gap or through filming holes downstream of the transitional channels in the mixing tube.
  • thermoacoustic vibrations pose a danger to any type of combustion application. They lead to high amplitude pressure oscillations, a limitation of the operating range and can increase pollutant emissions. This is especially true for combustion systems with low acoustic attenuation, such. B.
  • Annular combustion chambers with reverberant walls In order to allow high power conversion over a wide operating range in terms of pulsations and pollutant emissions, active control of combustion oscillations may be necessary.
  • combustion concepts for part-load operation of such burners are, for example, so-called burner staging, in which individual burners are switched off selectively, so that the remaining Burner can be operated at full load.
  • This concept can be used quite successfully in particular in annular combustion chambers with a plurality of mutually offset burner rings of different radius. Fuel staging within a burner can influence the flame position and thus reduce the influence of flow instabilities as well as time delay effects (eg described in EP-A1-1 292 795).
  • pilot fuel gaseous or liquid
  • pilot fuel for the pilot operation of the burner can be supplied centrally via a lance, as for example in EP-A1 -0 778 445 for the case of a double-cone burner and in WO-A-93/17279 and EP -A1 -0 833 105 for premix burner without resp. is described with downstream mixing section.
  • the premix burner proposed here is intended to overcome the disadvantages of the premix burners according to the prior art mentioned above and in particular make it possible to adjust the combustion process to a wide variety of conditions, such as the applied load, combustion stability, combustion quality, operating temperatures, etc.
  • the object is to improve a premix burner with a swirl generator and a downstream mixing tube for the combustion of gaseous and / or liquid fuel.
  • this is a premix burner, in which the typically gaseous fuel can be introduced into the burner interior of the swirl generator upon entry of the combustion air and / or the liquid fuel can be introduced on a burner axis via a central fuel nozzle into the burner interior of the swirl generator.
  • the burner also preferably has a fuel lance arranged on the burner axis.
  • the increased flexibility with regard to possible modes of operation is achieved by providing at least one additional feed for the introduction of gaseous and / or liquid premix fuel from the wall region into the burner interior of the mixing tube in the transition region from the swirl generator to the mixing tube.
  • the transition region between these two regions is an area which may also comprise the last 20 to 30% of the length of the swirl generator and normally extends into the mixing tube by 20 to 30% of its length.
  • a finely tunable fuel staging which can be set to a wide variety of operating states, can be implemented very flexibly in a very efficient manner. This is preferred for both liquid fuel and gaseous fuel operation. Through these supplies either natural gas or synthesis gas or liquid fuel (such as petroleum) can be supplied.
  • the premix burner is characterized in that in addition a arranged on the burner axis fuel lance is present, which extends at least partially into the mixing tube, preferably in the range of 40-60% of the length of the mixing tube extends into this.
  • This fuel lance serves on the one hand for the introduction of pilot fuel in the region of the output of the mixing section, on the other hand, the fuel lance but also serves to modify the internal recirculation zone and stabilize, not only by their presence but also arranged in the fuel lance means for introduction of fuel and optionally also air.
  • a fuel lance it is designed such that both liquid and gaseous fuel can be introduced via the fuel lance into the internal combustion chamber of the mixing tube. This increases flexibility in terms of potential fuels.
  • the fuel lance is configured such that both liquid pilot fuel and gaseous pilot fuel can be introduced into the burner interior of the mixing tube at the tip of the fuel lance.
  • the injection of the liquid fuel is carried out centrally.
  • the liquid pilot fuel can be introduced via at least one opening or fuel nozzle arranged essentially on the burner axis.
  • the gaseous pilot fuel is introduced via a plurality (for example, a whole rim) of radially outwardly offset openings at the top of the fuel lance.
  • the corresponding nozzles for both the liquid and the gaseous fuel can be preferably set with respect to the direction of formation or the distribution effect for the fuel so that optimum mixing with the combustion air flow is established for the different staging states.
  • the fuel lance is a tool for the actual staging within the burner.
  • the fuel lance is designed such that liquid Vormischbrennstoff in the transition region into the burner interior in the radial direction, that is, radially outward, whereby an axial component in the flow direction or a direction adapted to the swirl injection direction is possible, can be introduced.
  • Fuel are controlled. If not only one such row is present but several consecutively connected rows in the flow direction, the openings of different rows or groups in Strömungshchtung are preferably arranged offset. This means that the injection openings are not only offset in the axial direction (different groups), but preferably openings of different groups in the flow direction are not arranged one behind the other such that under normal operating conditions the fuel of an upstream opening directly onto the fuel of a downstream opening " incident ". So optimal mixing with the combustion air can be achieved because the individual fuel columns are guided by individual openings exactly in the desired mass next to each other. It should be noted that the combustion air flow is subjected to a swirl, that is under offset among other things to understand, offset with respect to the normal rotating combustion air flow.
  • a further preferred embodiment is characterized in that the fuel lance is formed such that gaseous premix fuel can be introduced in the radial direction in the transition region into the burner interior, wherein preferably along the fuel lance different, successively arranged in the flow direction rows or groups of openings are present, and These rows can be controlled separately with gaseous fuel, and wherein in particular preferably the openings of different rows or groups are arranged offset in the flow direction.
  • the fuel lance has both such liquid fuel groups and such gaseous fuel groups.
  • the above can for example be realized by the fuel lance from at least one outer tube with an inner coaxially arranged inner tube and / or with radially extending partitions for separately controllable supply of liquid or gaseous fuel as a pilot fuel to the top of the fuel lance and / or is designed as premix fuel for introduction in the transition region.
  • a feed for liquid fuel is arranged according to a further preferred embodiment of the invention.
  • This supply preferably has at least one row of outlet openings for liquid fuel, wherein in particular at least one row of outlet openings arranged substantially at the same height in the flow direction is arranged.
  • these openings can preferably be controlled separately (if appropriate, groups of outlet openings can also be controlled separately). Further preferably, these openings are arranged offset in the flow direction and / or formed of different size. With regard to the injection direction, the openings are preferably set such that, in particular, the wall regions are not exposed to fuel, and that exactly the desired mixing or separate formation of fuel columns within the mixing section is produced.
  • a further preferred embodiment is characterized in that at least one feed for gaseous fuel is arranged in the transition region, particularly preferably in the region of or immediately downstream of transitional channels arranged there, this feed preferably introducing gaseous fuel via at least one row of outlet openings. It is also preferred in the case of gaseous fuel, if at least one row of arranged in the flow direction substantially at the same height outlet openings, and wherein particularly preferably in the presence of a plurality of such rows of outlet openings, these can be controlled separately, and / or in the flow direction are arranged offset, and / or of different sizes are formed and / or adjusted in terms of Eindüsungsraum so that in particular the wall areas are not subjected to undesirable fuel.
  • the at least one supply comprises at least one at least partially circulating distribution line, which can be controlled via a controllable distributor Feed with fuel is controlled.
  • the swirl generator is generally a double-cone burner or a multiple-cone burner which has two or a plurality of partial cone bodies which are offset relative to one another such that the combustion air enters the burner interior of the swirl generator through tangential air inlet slots formed thereby, whereby liquid fuel flows over one central fuel nozzle and / or gaseous fuel can be introduced at said air inlet slots.
  • the swirl generator preferably has a structure as described in EP-A1-0 321 809. Accordingly, the disclosure content of EP-A1-0 321 809 with regard to the construction of the swirl generator is expressly included in the disclosure content of the present documentation.
  • the mixing section is one
  • the present invention relates to a method for operating a premix burner as described above.
  • the method is particularly characterized in that for a fuel staging for different operating conditions, the different means described above for introducing liquid and / or gaseous fuel in the wall area and / or the fuel lance in dependence on the load or the power to be generated and / or the quality of combustion or combustion stability in particular in terms of
  • a first preferred embodiment of the method is characterized in that at least two different stages for operation with gaseous and / or liquid fuel using at least two in the flow direction successively arranged feeders or using at least one feed in the transition region via a fuel lance and at least one Feed in the transition region from the wall area are used in the burner interior.
  • gaseous and / or liquid pilot fuel can be introduced into the combustion air stream via the tip of the fuel lance.
  • natural gas and / or synthesis gas and / or crude oil can be used as fuel.
  • FIG. 1 shows an axial section through a premix burner with downstream mixing section according to the prior art.
  • FIG. 2 shows an axial section through a premix burner with a downstream mixing section with a long fuel lance and with additional feeds of liquid and gaseous fuel arranged in the transition region;
  • FIG. 3 shows an axial section through a premix burner with downstream mixing section according to FIG. 2, in which premix gas from the first feed for gaseous fuel is introduced;
  • FIG. 4 shows an axial section through a premixing burner with downstream mixing section according to FIG. 2, in which premix gas as well as pilot gas are simultaneously introduced from the first supply for gaseous fuel via the tip of the fuel lance;
  • FIG. 5 shows an axial section through a premix burner with downstream mixing section according to FIG. 2, in which premix gas is introduced from the first feed for gaseous fuel and from a middle region of the fuel lance;
  • FIG. 6 shows an axial section through a premixing burner with downstream mixing section according to FIG. 2, in which premix gas is introduced from the first supply of gaseous fuel and from a middle region of the fuel lance, and at the same time pilot gas is supplied via the tip of the fuel lance;
  • Fig. 7 shows a section perpendicular to the burner axis in the mixing tube for a
  • FIG. 8 shows an axial section through a premixing burner with a downstream mixing section according to FIG. 2, in which pilot gas is introduced via the tip of the fuel lance;
  • FIG. 9 shows an axial section through a premixing burner with a downstream mixing section according to FIG. 2, in which liquid pilot fuel is introduced via the tip of the fuel lance;
  • FIG. 10 shows an axial section through a premix burner with downstream mixing section according to FIG. 2, in which liquid pilot fuel is introduced via the tip of the fuel lance, and simultaneously liquid premix fuel via the central fuel lance from two different stages;
  • Fig. 1 1 shows a section perpendicular to the burner axis in the mixing tube for a
  • FIG. 12 shows an axial section through a premix burner with downstream mixing section according to FIG. 2, in which liquid pilot fuel is introduced via the tip of the fuel lance and at the same time liquid premix fuel via outside feed from two different stages;
  • FIG. 14 shows an axial section through a premix burner with a downstream mixing section according to FIG. 2, in which liquid pilot fuel is introduced via the tip of the fuel lance and at the same time liquid premix fuel via outside feed from one stage and simultaneously liquid premix fuel via the central fuel lance from one stage; and
  • FIG. 15 shows an axial section through a premix burner with a downstream mixing section according to FIG. 2, in which gaseous premix fuel is introduced via both feeders on the outside.
  • Such a premix burner comprises a swirl generator 1 and a mixing pipe 2 arranged downstream thereof (also called a mixing section).
  • a mixing section Such a burner is adjacent to a combustion chamber 3, in whose rear wall the burners are normally embedded with a burner front element 10.
  • the swirl generator is basically designed as described in EP-A1-0 321 809. In other words, the displacement of these partial cone bodies 14 results in a tangential air inlet slot 17 between the two on both sides. Inside the two partial cone bodies 14, the burner interior 16 of the swirl generator is formed. Combustion air 4 enters through these tangential air inlet slots 7 in the burner interior 16 and forms a rotating and advancing forward, swirling combustion air flow.
  • combustion air flow can be introduced via a central fuel nozzle 5 for liquid fuel 39 substantially on the burner axis 12 on the one hand.
  • gaseous fuel in the region of the tangential air inlet slots 7. Normally, these are provided at the tangential air inlet slots 7 and parallel to these extending lines for gaseous fuel, which introduce the gaseous fuel 13 into the combustion air stream 4 at the moment of its entry into the burner interior 16 via a plurality of openings distributed along the air inlet slots.
  • the mixing tube 2 Downstream of this swirl generator 1, the mixing tube 2 is arranged. In between there is a transition region 40. In this transition region, with the aid of transition channels, it is ensured that an optimal entry of the swirling air flow from the burner interior 16 of the swirl generator 1 into the burner interior 17 of the mixing section takes place.
  • transition channels are arranged in a transition piece 8.
  • FIG. 1 shows the velocity profile 11 in the axial direction, and it can be seen that there is a maximum velocity in the axial direction on the burner axis 12.
  • a central fuel lance 15 is provided on the burner axis 12. This fuel lance 15 extends through the swirl generator 1 and far into the mixing tube 2. It is therefore an exceptionally long fuel lance, the prior art proposed fuel lances in connection with a burner with a downstream mixing section normally extend only over the length of the swirl generator.
  • This fuel lance has on the one hand the possibility of introducing gaseous fuel as well as on the other hand the possibility of introducing liquid fuel.
  • this fuel lance 15 at the top of pilot nozzles arranged, at least one central pilot nozzle for the introduction of liquid pilot fuel, and a plurality resp.
  • the fuel lance 15 has arranged in the central region of the outlet openings for liquid and gaseous fuel.
  • the fuel lance 15 has arranged in the central region of the outlet openings for liquid and gaseous fuel.
  • several groups of openings for liquid fuel in the flow direction are arranged one behind the other, wherein these groups can be controlled separately.
  • gaseous fuel groups are present.
  • these nozzles resp. Ports for introducing the fuel, which are described in greater detail below, arranged in a central region of the fuel lance, that is in the transition region 40 between the swirl generator 1 and the mixing tube. 2
  • a supply 18 for liquid fuel In addition to the fuel lance is a supply 18 for liquid fuel arranged. It is a circumferential liquid fuel line, recessed into the transition piece 8, which has a plurality of circumferentially spaced liquid fuel injection ports.
  • various groups of such openings arranged one behind the other in flow direction can be arranged. These openings are in other words offset in the flow direction. In order that the fuel columns which emerge and form from these openings do not get in the way in the various series-connected groups, the openings of different groups are also offset in the circumferential direction.
  • a first external supply of gaseous fuel usually natural gas
  • This supply 19 is made via a supply line 20 and is also formed as a circumferential channel, which has opening into the transition region 40 outlet openings 21 for the gaseous fuel.
  • a second outer side feed for gaseous fuel 22 is provided, which in turn via a
  • Fuel supply line 23 is supplied with gaseous fuel. Again, a circumferential channel for the gaseous fuel (eg.
  • Synthesis gas is provided, and this circumferential channel opens into the burner interior 17 via a plurality of outlet openings 24 distributed on the circumference.
  • the two groups of openings 21 respectively. 24 are also advantageously arranged offset in the circumferential direction, so that the fuel columns of these two groups do not overlap in an undesirable manner.
  • the injection angle can generally be selected at the outlet openings for both gaseous and liquid fuel such that there is as little as possible any contact of the fuel with the wall in the flow direction downstream of the openings and, accordingly, the Continuous scavenging of inoperative fuel lines can be avoided, and the risk of backflushing can be eliminated.
  • FIG. 3 shows a mode of operation with gas in the premix mode with the use of the outer injectors of the first external supply system 19. This shows how a number of gaseous fuel columns 25 corresponding to the number of outlet openings 21 forms in the mixing section, which successively mix with the combustion air flow and expand.
  • FIG. 4 shows how, in the case of such an operating mode according to FIG. 3, additional pilot gas can be introduced via the tip of the fuel lance.
  • the pilot gas is introduced via pilot gas openings 27 and in turn forms pilot gas fuel columns 26.
  • FIG. 5 shows how, in addition to the introduction of premix gas via the system 19 shown in FIG. 3, further premix gas can be introduced via the fuel lance.
  • the fuel lance has premix gas openings 29 arranged in the transition region 40. These premix gas openings are distributed over the circumference of the outer wall of the fuel lance 15 and form a number of fuel columns corresponding to the number of these openings 29.
  • the openings 29 and 21 are also offset in the circumferential direction, so that the fuel columns 28 and 25 do not overlap negatively.
  • FIG. 6 shows how, in a further variant of the method of operation, the introduction of gaseous fuel via the lance to form the fuel columns 28 and the introduction of fuel via the system 19 to form the fuel columns 25 with the introduction of pilot fuel over the top of the Fuel lance 15 can be combined to form the fuel columns 26.
  • FIG. 7 is in a section perpendicular to the burner axis through the Mixing section shown how the individual fuel columns 25 respectively. Train 28. It can be seen that the fuel columns of the two groups 25 respectively. 28 are each staggered, and that in this case each group forms eight fuel columns, that is, there are arranged in both the system 19 as well as the system on the fuel lance eight openings uniformly around the circumference. Furthermore, it can be seen how in this case the openings in the system 19 are formed larger resp. the system 19 is a grosser mass flow of the gaseous fuel is adjusted so that form more powerful fuel columns.
  • FIG. 8 shows, for the sake of completeness, how such a burner can be driven alone by operating the gaseous fuel pilot nozzles 27 to form the fuel columns 26. Furthermore, it should be emphasized that additional gaseous fuel can be supplied in the region of the inlet slots, should this be desired. Thus, it can be seen that for the operation with gaseous fuel different stages of the burner guide can be provided, which allows a very flexible operation.
  • FIG. 9 now shows the mode of operation with liquid fuel, in which case only pilot fuel is introduced centrally via an opening 291 in the tip of the fuel lance 15, so that a single central fuel column 281 is formed.
  • Premix fuel in the middle area of the fuel lance there is a second row 33, which is located slightly further downstream.
  • the openings of these two rows are also arranged offset in the circumferential direction and the first row of openings 31 leads to the formation of fuel columns 30.
  • the second row 33 for the formation of fuel columns 32nd arises in this mode of operation, a distribution of the fuel columns, respectively.
  • Fuel Trajektohen which in turn the offset openings 31, respectively. 33 reflects and which makes visible that in this case the openings 31 are formed larger resp. be driven with a larger mass flow, so that more vigorous fuel columns 30 form.
  • FIG. 12 likewise shows a mode of operation with liquid fuel.
  • the liquid fuel is supplied via the system 18.
  • the system 18 in the transition region 40 also has two groups of openings distributed around the circumference.
  • a first group of openings is located further upstream and forms the group 35 of openings.
  • a second group of openings 37 which in this case is fed via the same line, is arranged somewhat further downstream.
  • the openings 35 and 37 are arranged offset in the direction of the circumference.
  • the openings 35 are formed larger than the openings 37, and in this case, the number of openings of the two groups 35, respectively. 37 not equal.
  • Figure 15 shows the possibility of using the two systems 19 and 22 for the introduction of gaseous fuel.
  • the fuel columns 38 due to the entry through the openings 21 of the system 19 which already continue Fuel columns 25 described above and, in addition, as a result of the inlet openings 24 of the system 22, the fuel columns 38.
  • This mode of operation is, for example, particularly suitable for synthesis gas.
  • the above operations provide the following advantages:
  • the pilot gas and the liquid pilot fuel are directed to the central recirculation zone. As far as the extinguishing limit is concerned, this is the most efficient way of piloting a burner.
  • the central piloting does not give rise to any risk of overheating, as the free-flowing enriched zone can not strike material surfaces.
  • Premix gas and oil can be split into two different injectors, which increases mixing (two-sided and staggered injection for optimal penetration and mixing).
  • liquid fuel feed 19 first outside feed for gaseous fuel (eg natural gas or synthesis gas)
  • gaseous fuel eg natural gas or synthesis gas

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Abstract

Beschrieben wird ein Vormischbrenner mit einem Drallerzeuger (1) und einem nachgeschalteten Mischrohr (2) für die Verbrennung von gasförmigem (13) und flüssigem (39) Brennstoff, welcher beim Eintritt der Verbrennungsluft (4) in den Brennerinnenraum (16) des Drallerzeugers (1) und/oder auf einer Brennerachse (12) in den Brennerinnenraum (16) des Drallerzeugers (1) eingebracht wird sowie mit einer auf der Brennerachse (12) angeordneten Brennstofflanze (15). Der vorgeschlagene Vormischbrenner zeichnet sich dadurch aus, dass im Übergangsbereich (6, 8, 40) vom Drallerzeuger (1) zum Mischrohr (2) wenigstens eine zusätzliche Zuführung (18, 19, 22) zur Einbringung von gasförmigem und/oder flüssigem Vormischbrennstoff vom Wandbereich in den Brennerinnenraum (17) des Mischrohres (2) vorgesehen ist.

Description

Vormischbrenner für eine Gasturbine
Technisches Gebiet Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner mit einem
Drallerzeuger und einem nachgeschalteten Mischrohr für die Verbrennung mindestens eines Brennstoffes resp. für den Betrieb mit einem oder mehreren Brennstoffen, insbesondere zur Verwendung in einer Gasturbine. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Vormischbrenners.
Stand der Technik
Brenner zur Verbrennung von flüssigem und/oder gasförmigem Brennstoffen, insbesondere zur Verwendung in einer Gasturbine, sind bekannt, welche einerseits eine hohe Stabilität beim Betrieb aufweisen, und andererseits in Bezug auf die NOx-Werte gute Eigenschaften aufweisen.
So ist aus der EP-A1 -321809 der so genannte EV-Brenner bekannt geworden. Der dort beschriebene Vormischbrenner ist ein aus mehreren Schalen bestehender, kegelförmiger Brenner, ein sogenannter Doppelkegelbrenner, zur Erzeugung einer geschlossenen Drallströmung im Kegelkopf, welche aufgrund des zunehmenden Dralls entlang der Kegelspitze instabil wird und in eine annulare Drallströmung mit Rückströmung im Kern übergeht. Brennstoffe, wie beispielsweise gasförmige Brennstoffe, werden entlang der durch die einzelnen benachbarten Schalen gebildeten Kanäle, auch Lufteintrittsschlitze genannt, eingedüst und homogen mit der Luft vermischt, bevor die Verbrennung durch Zündung am Staupunkt der Rückströmzone oder Rückströmblase einsetzt, welche die Funktion eines vorrichtungsfreien Flammenhalters erfüllt. Flüssige Brennstoffe werden vorzugsweise über eine zentrale Düse am Brennerkopf eingedüst und verdampfen dann im Kegelhohlraum. Eine weitere gewichtige Entwicklung auf dem Gebiet der Vormischbrenner betrifft den sogenannten AEV-Brenner, wie er beispielsweise aus EP-A1 -704 657 bekannt geworden ist. Der vorgeschlagene Brenner weist kopfseitig einen Drallerzeuger auf, der die aerodynamischen Grundprinzipien des oben bereits beschriebenen EV- Brenners, beispielsweise gemäss EP-A1 -0 321 809, benutzt. Dieser Drallerzeuger ist stromauf einer Mischstrecke angeordnet, deren Aufbau weiter unten noch näher erläutert wird.. Grundsätzlich ist aber auch der Einsatz eines axialen oder radialen Drallerzeugers möglich. Des Weiteren ist es auch möglich, einen Drallerzeuger vorzusehen, welcher aus einem zylindrischen oder quasi-zylindrischen Rohr besteht, in welches die Luft über ähnliche Längsschlitze wie beim EV-Drallerzeuger ins Innere des Rohres strömt, wobei die erwünschte Drallbildung der Luft zur Maximierung der angestrebten Vormischung mit einem an passender Stelle eingedüsten Brennstoff durch einen konisch verlaufenden Innenkörper erfolgt, wobei sich dieser Innenkörper in Strömungsrichtung konisch verjüngt, womit auch hier die Voraussetzungen für eine effiziente Drallströmung gegeben sind. Sowohl alle hier genannten Ausführungsformen für die Drallerzeugung als auch die genannten Druckschriften sind einen integrierenden Bestandteil dieser Beschreibung. Die Mischstrecke selbst besteht vorzugsweise aus einem rohrförmigen Mischelement, im folgenden Mischrohr genannt, welches ein perfektes Vormischen des eingesetzten oder der eingesetzten Brennstoffe gestattet. Die Strömung aus dem Drallerzeuger wird dabei nahtlos in das Mischrohr übergeführt. Dies geschieht durch eine Übergangsgeometrie, die aus Übergangskanälen besteht, welche die Kopfpartie dieses Mischrohres bilden, und welche, wie bereits angedeutet, die Strömung in den anschliessenden effektiven Durchflussquerschnitt des Mischrohres überführen. Diese an sich verlustfreie Strömungseinleitung zwischen Drallerzeuger und Mischrohr verhindert zunächst die unmittelbare Bildung einer Rückströmzone am Ausgang des Drallerzeugers. Zunächst wird die Drallstärke im Drallerzeuger über seine Geometrie so gewählt, dass das Aufplatzen des Wirbels nicht im Mischrohr, sondern weiter stromab am Brennkammereintritt erfolgt, wobei die Länge dieses Mischrohres so dimensioniert ist, dass sich eine ausreichende Mischungsgüte für alle Brennstoffarten ergibt. Ist beispielsweise der eingesetzte Drallerzeuger nach den Grundzügen des Doppelkegelbrenners aufgebaut, so ergibt sich die Drallstärke aus der Auslegung des entsprechenden Kegelwinkels, der Lufteintrittsschlitze und deren Anzahl. Im Mischrohr selbst besitzt das Axialgeschwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse und verhindert dadurch Rückzündungen in diesem Bereich. Die Axialgeschwindigkeit fällt zur Wand hin ab. Um Rückzündungen auch in diesem Bereich zu unterbinden, werden verschiedene Vorkehrungen vorgesehen: Beispielsweise zum einen lässt sich das gesamte Geschwindigkeitsniveau durch Verwendung eines Mischrohres mit einem ausreichend kleinen Durchmesser anheben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, nur die Geschwindigkeit im Aussenbereich des Mischrohres zu erhöhen, indem ein kleiner Teil der Verbrennungsluft über einen Ringspalt oder durch Filmlegungsbohrungen stromab der Übergangskanäle in das Mischrohr einströmt.
Häufig sind in solchen Brennern mehrere Brennstoffeinspritzdüsen vorgesehen, die in Gruppen angeordnet sind, um so in verschiedenen Lastbereichen eine stabile Verbrennung zu gewährleisten, z. B. besondere Pilotierungsdüsen für den unteren Lastbereich. Dabei kann sich die Flammenlage je nach Art der Pilotierung deutlich verschieben, und in einem solchen Fall kann es in Übergangsbereichen zu thermoakustischen Schwankungen auch durch periodische Veränderung der Flammenfrontpositionen kommen.
Diese thermoakustischen Schwingungen stellen eine Gefahr für jede Art von Verbrennungsanwendung dar. Sie führen zu Druckschwingungen hoher Amplitude, zu einer Einschränkung des Betriebsbereiches und können die Schadstoffemissionen erhöhen. Dies trifft insbesondere für Verbrennungssysteme mit geringer akustischer Dämpfung zu, wie z. B.
Ringbrennkammern mit schallharten Wänden. Um in Bezug auf Pulsationen und Schadstoff-Emissionen eine hohe Leistungskonversion über einen weiten Betriebsbereich zu ermöglichen, kann eine aktive Kontrolle der Verbrennungsschwingungen notwendig sein. Im Stand der Technik bekannt als Verbrennungskonzepte für Teillastbetrieb von solchen Brennern sind beispielsweise sogenanntes Brenner-Staging, bei welchem einzelne Brenner gezielt abgeschaltet werden, so dass die restlichen Brenner bei Volllast betrieben werden können. Insbesondere bei Ringbrennkammern mit mehreren, zueinander versetzten Brennerringen von unterschiedlichem Radius kann dieses Konzept ziemlich erfolgreich eingesetzt werden. Durch Brennstoff-Staging innerhalb eines Brenners lässt sich die Flammenposition beeinflussen und damit der Einfluss von Strömungsinstabilitäten als auch Zeitverzugseffekten vermindern (z.B. in der EP-A1 -1 292 795 beschrieben).
Ebenfalls bekannt ist es, so genannte Pilotlanzen in derartigen Brennern vorzusehen. Es kann nämlich Pilotbrennstoff (gasförmig oder flüssig) für den pilotierten Betrieb des Brenners zentral über eine Lanze zugeführt werden, wie dies beispielsweise in der EP-A1 -0 778 445 für den Fall eines Doppelkegelbrenners und in WO-A-93/17279 sowie EP-A1 -0 833 105 für Vormischbrenner ohne resp. mit nachgeschalteter Mischstrecke beschrieben wird.
Allgemeine Darstellung der Erfindung
Der hier neu vorgeschlagene Vormischbrenner soll die eingangs genannten Nachteile der Vormischbrenner nach dem Stand der Technik überwinden und es insbesondere ermöglichen, den Verbrennungsprozess auf unterschiedlichste Bedingungen einstellbar zu machen, so hinsichtlich der anliegenden Last, der Verbrennungsstabilität, der Verbrennungsqualität, der Betriebstemperaturen etc.
Insbesondere geht es darum, einen Vormischbrenner mit einem Drallerzeuger und einem nachgeschalteten Mischrohr für die Verbrennung von gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff zu verbessern. Bevorzugtermassen handelt es sich dabei um einen Vormischbrenner, bei welchem der typischerweise gasförmige Brennstoff beim Eintritt der Verbrennungsluft in den Brennerinnenraum des Drallerzeugers eingebracht werden kann und/oder der flüssige Brennstoff auf einer Brennerachse über eine zentrale Brennstoffdüse in den Brennerinnenraum des Drallerzeugers eingebracht werden kann. Bevorzugtermassen verfügt der Brenner zudem über eine auf der Brennerachse angeordnete Brennstofflanze.
Die erhöhte Flexibilität bezüglich möglicher Betriebsweisen wird dadurch erreicht, dass im Übergangsbereich vom Drallerzeuger zum Mischrohr wenigstens eine zusätzliche Zuführung zur Einbringung von gasförmigem und/oder flüssigem Vormischbrennstoff vom Wandbereich in den Brennerinnenraum des Mischrohres vorgesehen ist. Mit anderen Worten geht es darum, Verteilleitungen für Brennstoff sowie an diese angebundene Austrittsöffnungen für den Brennstoff im Bereich des Übergangs zwischen Drallerzeuger und Mischstrecke, gegebenenfalls in Strömungsrichtung bis 50% der Länge der Mischstrecke in diese hinein, vorzusehen. Als Übergangsbereich zwischen diesen beiden Bereichen ist dabei mit anderen Worten ein Bereich zu verstehen, welcher auch noch die letzten 20 bis 30% der Länge des Drallerzeugers umfassen kann und normalerweise 20 bis 30% der Länge des Mischrohres in dieses hineinreicht. Durch diese zusätzlichen Zuführungen lässt sich in sehr effizienter Weise ein fein abstimmbares, und auf unterschiedlichste Betriebszustände einstellbares Brennstoff-Staging sehr flexibel realisieren. Dies bevorzugt sowohl für den Betrieb mit flüssigem Brennstoff als auch mit gasförmigem Brennstoff. Durch diese Zuführungen kann entweder Erdgas oder Synthesegas oder auch flüssiger Brennstoff (beispielsweise Erdöl) zugeführt werden.
Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist der Vormischbrenner dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine auf der Brennerachse angeordnete Brennstofflanze vorhanden ist, welche sich wenigstens teilweise bis in das Mischrohr erstreckt, vorzugsweise im Bereich von 40-60% der Länge des Mischrohres in dieses erstreckt. Diese Brennstofflanze dient dabei einerseits für die Einbringung von Pilotbrennstoff im Bereich des Ausgangs der Mischstrecke, andererseits dient die Brennstofflanze aber auch dazu, die interne Rezirkulationszone zu modifizieren und zu stabilisieren, dies nicht nur durch ihre Anwesenheit sondern auch durch in der Brennstofflanze angeordnete Mittel zur Einbringung von Brennstoff und gegebenenfalls auch Luft. Gemäss einer besonderen Ausführungsform einer derartigen Brennstofflanze ist diese derart ausgebildet, dass sowohl flüssiger als auch gasförmiger Brennstoff über die Brennstofflanze in den Brennehnnenraum des Mischrohres eingebracht werden kann. Dies erhöht die Flexibilität hinsichtlich der möglichen Brennstoffe.
Vorteilhafter Weise wird die Brennstofflanze derart ausgestaltet, dass an der Spitze der Brennstofflanze sowohl flüssiger Pilotbrennstoff als auch gasförmiger Pilotbrennstoff in den Brennerinnenraum des Mischrohres eingebracht werden kann. Bevorzugtermassen wird dabei die Eindüsung des flüssigen Brennstoffs zentral vorgenommen. Dies bedeutet, dass bevorzugtermassen der flüssige Pilotbrennstoff über wenigstens eine im wesentlichen auf der Brennerachse angeordnete Öffnung respektive Brennstoffdüse eingebracht werden kann. Weiterhin bevorzugt wird der gasförmige Pilotbrennstoff über eine Mehrzahl (beispielsweise ein ganzer Kranz) von radial nach aussen versetzten Öffnungen an der Spitze der Brennstofflanze eingebracht. Die entsprechenden Düsen sowohl für den flüssigen als auch für den gasförmigem Brennstoff können hinsichtlich der Einbildungsrichtung respektive der Verteilerwirkung für den Brennstoff bevorzugtermassen so eingestellt werden, dass sich für die unterschiedlichen Staging-Zustände eine optimale Vermischung mit dem Verbrennungsluftstrom einstellt.
Bevorzugtermassen ist auch die Brennstofflanze ein Hilfsmittel für das eigentliche Staging innerhalb des Brenners. Zu diesem Zweck ist gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Brennstofflanze derart ausgebildet, dass flüssiger Vormischbrennstoff im Übergangsbereich in den Brennerinnenraum in radialer Richtung, das heisst radial nach aussen, wobei auch eine axiale Komponente in Strömungsrichtung respektive eine auf den Drall angepasste Eindüsung Richtung möglich ist, eingebracht werden kann. Zu diesem Zweck sind vorzugsweise entlang der Brennstofflanze verschiedene, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Reihen oder Gruppen von Öffnungen vorhanden, und diese Reihen können separat mit flüssigem
Brennstoff angesteuert werden. Wenn nicht nur eine derartige Reihe vorhanden ist sondern mehrere in Strömungsrichtung hintereinander geschaltete Reihen, sind die Öffnungen von verschiedenen Reihen oder Gruppen in Strömungshchtung bevorzugtermassen versetzt angeordnet. Dies bedeutet, die Eindüsungsöffnungen sind nicht nur in axialer Richtung versetzt (verschiedene Gruppen), sondern vorzugsweise sind Öffnungen von verschiedenen Gruppen in Strömungshchtung nicht so hintereinander angeordnet, dass bei normalen Betriebsbedingungen der Brennstoff einer stromauf angeordneten Öffnung direkt auf den Brennstoff einer stromab angeordneten Öffnung "auftrifft". So kann eine optimale Vermischung mit der Verbrennungsluft erreicht werden, da die einzelnen Brennstoffsäulen von individuellen Öffnungen genau im gewünschten Masse nebeneinander geführt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Verbrennungsluftstrom einem Drall unterworfen ist, das heisst unter versetzt ist unter anderem auch zu verstehen, versetzt hinsichtlich der normalen rotierenden Verbrennungsluftströmung.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofflanze derart ausgebildet ist, dass gasförmiger Vormischbrennstoff im Übergangsbereich in den Brennerinnenraum in radialer Richtung eingebracht werden kann, wobei vorzugsweise entlang der Brennstofflanze verschiedene, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Reihen oder Gruppen von Öffnungen vorhanden sind, und diese Reihen separat mit gasförmigem Brennstoff angesteuert werden können, und wobei insbesondere bevorzugt die Öffnungen von verschiedenen Reihen oder Gruppen in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind.
Bevorzugtermassen verfügt die Brennstofflanze sowohl über derartige Gruppen für flüssigen Brennstoff als auch für derartige Gruppen für gasförmigem Brennstoff.
In konstruktiver Hinsicht lässt sich das obige beispielsweise realisieren, indem die Brennstofflanze aus wenigstens einem äusseren Rohr mit einem inneren koaxial angeordneten inneren Rohr und/oder mit radial verlaufenden Trennwänden zur separat kontrollierbaren Zuführung von flüssigem respektive gasförmigem Brennstoff als Pilotbrennstoff zur Spitze der Brennstofflanze und/oder als Vormischbrennstoff zur Einbringung im Übergangsbereich ausgestaltet wird. Im Übergangsbereich, insbesondere bevorzugt im Bereich von dort angeordneten Übergangskanälen ist gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Zuführung für flüssigen Brennstoff angeordnet. Diese Zuführung verfügt bevorzugtermassen über wenigstens eine Reihe von Austrittsöffnungen für flüssigen Brennstoff, wobei insbesondere wenigstens eine Reihe von in Strömungsrichtung im wesentlichen auf gleicher Höhe angeordneten Austrittsöffnungen angeordnet ist. Dabei können bevorzugt bei Anwesenheit von mehreren derartigen Reihen von Austrittsöffnungen diese separat angesteuert werden (gegebenenfalls können auch Gruppen von Austrittsöffnungen separat angesteuert werden). Weiterhin bevorzugt sind diese Öffnungen in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind und/oder von unterschiedlicher Grosse ausgebildet. Bevorzugtermassen sind die Öffnungen hinsichtlich der Eindüsungsrichtung so eingestellt, dass insbesondere die Wandbereiche nicht mit Brennstoff beaufschlagt werden, und dass genau die gewünschte Vermischung respektive separate Ausbildung von Brennstoffsäulen innerhalb der Mischstrecke entsteht.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich, insbesondere bevorzugt im Bereich von oder unmittelbar stromab von dort angeordneten Übergangskanälen, wenigstens eine Zuführung für gasförmigen Brennstoff angeordnet ist, wobei diese Zuführung bevorzugtermassen gasförmigen Brennstoff über wenigstens eine Reihe von Austrittsöffnungen einbringt. Dabei ist auch im Fall von gasförmigem Brennstoff bevorzugt, wenn wenigstens eine Reihe von in Strömungsrichtung im wesentlichen auf gleicher Höhe angeordneten Austrittsöffnungen angeordnet ist, und wobei insbesondere bevorzugt bei Anwesenheit von mehreren derartigen Reihen von Austrittsöffnungen diese separat angesteuert werden können, und/oder in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind, und/oder von unterschiedlicher Grosse ausgebildet sind und/oder hinsichtlich der Eindüsungsrichtung so eingestellt sind, dass insbesondere die Wandbereiche nicht mit Brennstoff ungewünscht beaufschlagt werden.
Typischerweise umfasst die wenigstens eine Zuführung wenigstens eine wenigstens teilweise umlaufende Verteilleitung, welche über eine regelbare Zuführung mit Brennstoff angesteuert wird.
Generell bevorzugtermassen handelt es sich beim Drallerzeuger um einen Doppelkegelbrenner oder einen Mehrfachkegelbrenner, welcher über zwei respektive eine Mehrzahl von Teilkegelkörpern verfügt, welche derart gegeneinander versetzt sind, dass die Verbrennungsluft durch dabei gebildete tangentiale Lufteintrittsschlitze in den Brennerinnenraum des Drallerzeugers eintritt, wobei flüssiger Brennstoff über eine zentrale Brennstoffdüse und/oder gasförmiger Brennstoff an den genannten Lufteintrittsschlitzen eingebracht werden kann. Bevorzugtermassen handelt es sich also beim Drallerzeuger um einen Aufbau wie er in der EP-A1 -0 321 809 beschrieben wird. Entsprechend wird der Offenbarungsgehalt der EP-A1 -0 321 809 bezüglich der Bauweise des Drallerzeugers ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Dokumentation eingeschlossen.
Weiterhin generell bevorzugtermassen sind in einem Übergangsbereich zwischen Drallerzeuger und Mischrohr Übergangskanäle zur Überführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in den stromab der Übergangskanäle nachgeschalteten Durchflussquerschnitt des Mischrohres angeordnet.
Bevorzugtermassen handelt es sich also bei der Mischstrecke um eine
Mischstrecke, wie sie in der EP-A1 -0 704 657 beschrieben wird, und auch deren Offenbarungsgehalt wird bezüglich der Bauweise der Mischstrecke respektive deren Anbindung an den Drallerzeuger ausdrücklich in diese
Offenbarung mit eingeschlossen.
Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners, wie er oben beschrieben wurde. Das Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass für ein Brennstoff-Staging für unterschiedliche Betriebzustände die unterschiedlichen oben beschriebenen Mittel zur Einbringung von flüssigem und/oder gasförmigem Brennstoff im Wandbereich und/oder über die Brennstofflanze in Abhängigkeit der Last respektive der zu erzeugenden Leistung und/oder der Verbrennungsqualität respektive Verbrennungsstabilität insbesondere auch hinsichtlich
Schadstoffemission einzeln und/oder in Kombination angesteuert werden. Eine erste bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei unterschiedliche Stufen für den Betrieb mit gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff unter Verwendung von wenigstens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Zuführungen oder unter Verwendung von wenigstens einer Zuführung im Übergangsbereich über eine Brennstofflanze und wenigstens einer Zuführung im Übergangsbereich vom Wandbereich in den Brennerinnenraum eingesetzt werden. Zusätzlich kann über die Spitze der Brennstofflanze gasförmiger und/oder flüssiger Pilotbrennstoff in den Verbrennungsluftstrom eingebracht werden. Generell können Erdgas und/oder Synthesegas und/oder Erdöl als Brennstoff verwendet werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Kurze Erläuterung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele dienen zur Illustration der Erfindung und sollen nicht in einschränkender Weise bei der Interpretation des Schutzgegenstandes, wie er in den am Ende aufgeführten Ansprüchen definiert ist, hinzugezogen werden.
Es zeigen:
Fig. 1 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke mit langer Brennstofflanze und mit im Übergangsbereich angeordneten zusätzlichen Zuführungen von flüssigem und gasförmigem Brennstoff;
Fig. 3 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem aus der ersten Zuführung für gasförmigen Brennstoff Vormischgas eingebracht wird;
Fig. 4 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem aus der ersten Zuführung für gasförmigen Brennstoff Vormischgas sowie gleichzeitig Pilotgas über die Spitze der Brennstofflanze eingeführt wird;
Fig. 5 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem aus der ersten Zuführung für gasförmigen Brennstoff sowie aus einem mittleren Bereich der Brennstofflanze Vormischgas eingeführt wird;
Fig. 6 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem aus der ersten Zuführung für gasförmigen Brennstoff und aus einem mittleren Bereich der Brennstofflanze Vormischgas eingeführt wird, sowie gleichzeitig Pilotgas über die Spitze der Brennstofflanze zugeführt wird;
Fig. 7 einen Schnitt senkrecht zur Brennerachse im Mischrohr für einen
Betrieb gemäss Figur 5; Fig. 8 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem Pilotgas über die Spitze der Brennstofflanze eingeführt wird;
Fig. 9 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem flüssiger Pilotbrennstoff über die Spitze der Brennstofflanze eingeführt wird;
Fig. 10 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem flüssiger Pilotbrennstoff über die Spitze der Brennstofflanze eingeführt wird sowie gleichzeitig flüssiger Vormischbrennstoff über die zentrale Brennstofflanze aus zwei verschiedenen Stufen; Fig. 1 1 einen Schnitt senkrecht zur Brennerachse im Mischrohr für einen
Betrieb gemäss Figur 10 aber ohne Zuführung von flüssigem Pilotbrennstoff über die Spitze der Brennstofflanze;
Fig. 12 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem flüssiger Pilotbrennstoff über die Spitze der Brennstofflanze eingeführt wird sowie gleichzeitig flüssiger Vormischbrennstoff über aussenseitige Zuführung aus zwei verschiedenen Stufen;
Fig. 13 einen Schnitt senkrecht zur Brennerachse im Mischrohr für einen Betrieb gemäss Figur 12 aber ohne Zuführung von flüssigem
Pilotbrennstoff über die Spitze der Brennstofflanze;
Fig. 14 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem flüssiger Pilotbrennstoff über die Spitze der Brennstofflanze eingeführt wird sowie gleichzeitig flüssiger Vormischbrennstoff über aussenseitige Zuführung aus einer Stufe und gleichzeitig flüssiger Vormischbrennstoff über die zentrale Brennstofflanze aus einer Stufe; und
Fig. 15 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem gasförmiger Vormischbrennstoff über beide aussenseitigen Zuführungen eingebracht wird.
Wege zur Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt einen sogenannten AEV-Brenner, wie er in der EP-A1 -0 704 657 im Stand der Technik beschrieben ist. Ein derartiger Vormischbrenner umfasst einen Drallerzeuger 1 und ein stromab davon angeordnetes Mischrohr 2 (auch Mischstrecke genannt). Ein derartiger Brenner grenzt an einen Brennraum 3, in dessen rückseitiger Wand die Brenner normalerweise mit einem Brennerfrontelement 10 eingelassen sind. Der Drallerzeuger ist dabei grundsätzlich ausgebildet, wie es in der EP-A1 -0 321 809 beschrieben ist. Der Drallerzeuger 1 umfasst mit anderen Worten zwei gegeneinander versetzte Teilkegelkörper 14. Durch die Versetzung dieser Teilkegelkörper 14 resultiert zwischen diesen beiden auf beiden Seiten je ein tangentialer Lufteintrittsschlitz 17. Im Inneren der beiden Teilkegelkörper 14 wird der Brennerinnenraum 16 des Drallerzeugers gebildet. Verbrennungsluft 4 tritt durch diese tangentialen Lufteintrittsschlitze 7 in den Brennerinnenraum 16 ein und bildet einen rotierenden und nach vorne fortschreitenden, drallbehafteten Verbrennungsluftstrom. In diesen Verbrennungsluftstrom kann einerseits über eine zentrale Brennstoffdüse 5 für flüssigen Brennstoff 39 im Wesentlichen auf der Brennerachse 12 eingebracht werden. Alternativ ist es möglich, gasförmigen Brennstoff im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 7 einzubringen. Normalerweise sind dazu bei den tangentialen Lufteintrittsschlitzen 7 und parallel zu diesen verlaufende Leitungen für gasförmigen Brennstoff vorgesehen, welche über mehrere entlang der Lufteintrittsschlitze verteilte Öffnungen den gasförmigen Brennstoff 13 in den Verbrennungsluftstrom 4 im Moment seines Eintretens in den Brennerinnenraum 16 einbringen.
Stromab dieses Drallerzeugers 1 ist das Mischrohr 2 angeordnet. Dazwischen gibt es einen Übergangsbereich 40. In diesem Übergangsbereich wird unter Zuhilfenahme von Übergangskanälen sichergestellt, dass ein optimaler Eintritt des drallbehafteten Luftstroms aus dem Brennerinnenraum 16 des Drallerzeugers 1 in den Brennerinnenraum 17 der Mischstrecke erfolgt. Es handelt sich dabei um Führungselemente, wie sie bspw. in der EP-A1 -0 704 657 beschrieben sind. Die Übergangskanäle sind in einem Übergangsstück 8 angeordnet.
Stromab schliesst an dieses Übergangsstück 8 ein Rohrbereich 9 an, und am Ende der Brennerfront schliesst sich das Brennerfrontelement 10 an, um den Übergang zur eigentlichen Brennkammer zu gewährleisten. In Figur 1 ist ausserdem das Geschwindigkeitsprofil 11 in axialer Richtung dargestellt, und es wird ersichtlich, dass auf der Brennerachse 12 eine maximale Geschwindigkeit in axialer Richtung vorliegt. Im Zusammenhang mit einer derartigen Brennerbauweise soll nun eine Struktur zur Verfügung gestellt werden, welche eine gestufte Betriebsweise (Staging) erlaubt, die es ermöglicht, den Brenner unter unterschiedlichsten Bedingungen stets optimal betreiben zu können. Dazu sind zusätzliche Möglichkeiten zur Einbringung von gasförmigem resp. flüssigem Brennstoff vorgesehen sowie zusätzlich eine zentrale Brennstofflanze.
Die Hauptkomponenten des vorgeschlagenen modifizierten AEV-Brenners sind in Figur 2 dargestellt. Einerseits wird eine zentrale Brennstofflanze 15 auf der Brennerachse 12 vorgesehen. Diese Brennstofflanze 15 erstreckt sich durch den Drallerzeuger 1 hindurch und weit in das Mischrohr 2 hinein. Es handelt sich also um eine aussergewöhnlich lange Brennstofflanze, die nach dem Stand der Technik vorgeschlagenen Brennstofflanzen im Zusammenhang mit einem Brenner mit nachgeschalteter Mischstrecke erstrecken sich normalerweise nur über die Länge des Drallerzeugers. Diese Brennstofflanze verfügt über einerseits die Möglichkeit der Einbringung von gasförmigem Brennstoff sowie auch andererseits über die Möglichkeit der Einbringung von flüssigem Brennstoff. Einerseits sind bei dieser Brennstofflanze 15 an deren Spitze Pilotdüsen angeordnet, wenigstens eine zentrale Pilotdüse für die Einbringung von flüssigem Pilotbrennstoff, und eine Mehrzahl resp. ein Kranz von Düsen ebenfalls an der Spitze für die Einbringung von gasförmigem Brennstoff (vgl. Beschreibung weiter unten). Des Weiteren verfügt die Brennstofflanze 15 über in deren mittlerem Bereich angeordnete Austrittsöffnungen für flüssigen und gasförmigem Brennstoff. Dabei sind vorteilhafterweise mehrere Gruppen von Öffnungen für flüssigen Brennstoff in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet, wobei diese Gruppen separat angesteuert werden können. Gleichermassen sind derartige Gruppen für gasförmigen Brennstoff vorhanden. Vorteilhafterweise sind diese Düsen resp. Öffnungen zur Einbringung des Brennstoffs, welche in grosserem Detail weiter unten beschrieben werden, in einem mittleren Bereich der Brennstofflanze angeordnet, das heisst im Übergangsbereich 40 zwischen dem Drallerzeuger 1 und dem Mischrohr 2.
Neben der Brennstofflanze ist eine Zuführung 18 für flüssigen Brennstoff angeordnet. Es handelt sich dabei um eine umlaufende, im Übergangsstück 8 eingelassene Brennstoffleitung für flüssigen Brennstoff, welche über eine Vielzahl von um den Umfang verteilte Öffnungen zur Einbringung von flüssigem Brennstoff verfügt. Dabei können genau wie bei der Brennstofflanze verschiedene in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Gruppen von derartigen Öffnungen angeordnet sein. Diese Öffnungen sind mit anderen Worten in Strömungsrichtung versetzt angeordnet. Damit sich die Brennstoffsäulen, die aus diesen Öffnungen austreten und ausbilden, bei den verschiedenen hintereinander geschaltenen Gruppen nicht in die Quere kommen, sind die Öffnungen von verschiedenen Gruppen auch in Umfangshchtung versetzt angeordnet.
Etwas weiter stromab ist eine erste aussenseitige Zuführung für gasförmigen Brennstoff, normalerweise Erdgas, vorgesehen. Diese Zuführung 19 wird über eine Zuführungsleitung 20 vorgenommen und ist ebenfalls als umlaufender Kanal ausgebildet, welcher über in den Übergangsbereich 40 mündende Austrittsöffnungen 21 für den gasförmigen Brennstoff verfügt.
Des Weiteren ist eine zweite aussenseitige Zuführung für gasförmigen Brennstoff 22 vorgesehen, welche ihrerseits über eine
Brennstoffzuführungsleitung 23 mit gasförmigem Brennstoff versorgt wird. Auch hier ist ein umlaufender Kanal für den gasförmigen Brennstoff (bspw.
Synthesegas) vorgesehen, und dieser umlaufende Kanal mündet über eine Vielzahl von auf dem Umfang verteilten Austrittsöffnungen 24 in den Brennerinnenraum 17.
Die beiden Gruppen von Öffnungen 21 resp. 24 werden auch hier vorteilhafterweise versetzt angeordnet und zwar in Umfangsrichtung, so dass die Brennstoffsäulen dieser beiden Gruppen sich nicht in unerwünschter Weise überlappen.
Des Weiteren kann generell bei den Austrittsöffnungen sowohl für gasförmigen wie auch für flüssigen Brennstoff der Injektionswinkel so ausgewählt werden, dass unmittelbar in Strömungsrichtung stromab der Öffnungen möglichst kein Kontakt des Brennstoffs mit der Wand stattfindet und entsprechend die kontinuierliche Spülung von nicht in Betrieb befindlichen Brennstoffleitungen vermieden werden kann, und das Risiko von Rückzündungen eliminiert werden kann.
In der Folge sollen unterschiedliche Betriebsmöglichkeiten eines derartigen Brenners anhand der Figuren 3 bis 15 erläutert werden.
Figur 3 zeigt eine Betriebsweise mit Gas im Vormischmodus mit Verwendung der äusseren Injektoren des ersten aussenseitigen Zuführungssystems 19. Hier wird ersichtlich, wie sich in der Mischstrecke eine der Anzahl der Austrittsöffnungen 21 entsprechende Zahl von gasförmigen Brennstoffsäulen 25 ausbildet, welche sich sukzessive mit dem Verbrennungsluftstrom vermischen und erweitern.
In Figur 4 ist dargestellt, wie bei einer derartigen Betriebsweise gemäss Figur 3 zusätzlich Pilotgas über die Spitze der Brennstofflanze eingebracht werden kann. Das Pilotgas wird über Pilotgasöffnungen 27 eingebracht und bildet seinerseits Pilotgas-Brennstoffsäulen 26.
In Figur 5 ist dargestellt, wie zusätzlich zur in Figur 3 dargestellten Einbringung von Vormischgas über das System 19 weiteres Vormischgas über die Brennstofflanze eingebracht werden kann. Zu diesem Zweck verfügt die Brennstofflanze über im Übergangsbereich 40 angeordnete Vormisch- gasöffnungen 29. Diese Vormischgasöffnungen sind über den Umfang der äusseren Wandung der Brennstofflanze 15 verteilt und bilden eine der Anzahl dieser Öffnungen 29 entsprechende Zahl von Brennstoffsäulen aus. Bevorzugtermassen sind die Öffnungen 29 und 21 auch in Umfangshchtung versetzt, so dass sich die Brennstoffsäulen 28 und 25 nicht negativ überlappen. In Figur 6 ist dargestellt, wie sich in einer weiteren Variante der Betriebsweise die Einbringung von gasförmigem Brennstoff über die Lanze unter Ausbildung der Brennstoffsäulen 28 und die Einbringung von Brennstoff über das System 19 unter Ausbildung der Brennstoffsäulen 25 mit der Einbringung von Pilotbrennstoff über die Spitze der Brennstofflanze 15 unter Ausbildung der Brennstoffsäulen 26 kombinieren lässt.
In Figur 7 ist in einem Schnitt senkrecht zur Brennerachse durch die Mischstrecke dargestellt, wie sich die einzelnen Brennstoffsäulen 25 resp. 28 ausbilden. Dabei kann erkannt werden, dass die Brennstoffsäulen der beiden Gruppen 25 resp. 28 jeweils versetzt angeordnet sind, und dass in diesem Fall jede Gruppe acht Brennstoffsäulen bildet, das heisst es sind sowohl beim System 19 wie auch beim System an der Brennstofflanze acht Öffnungen gleichmässig um den Umfang verteilt angeordnet. Des Weiteren kann erkannt werden, wie in diesem Fall die Öffnungen beim System 19 grösser ausgebildet sind resp. beim System 19 ein grosserer Massenfluss des gasförmigen Brennstoffs eingestellt wird, so dass sich kräftigere Brennstoffsäulen ausbilden. In Figur 8 ist der Vollständigkeit halber dargestellt, wie ein derartiger Brenner auch allein unter Betrieb der Pilotdüsen 27 für gasförmigen Brennstoff unter Ausbildung der Brennstoffsäulen 26 gefahren werden kann. Des Weiteren sei hervorgehoben, dass auch weiterer gasförmiger Brennstoff im Bereich der Eintrittsschlitze zugeführt werden kann, sollte dies erwünscht sein. So wird ersichtlich, dass für den Betrieb mit gasförmigem Brennstoff unterschiedlichste Stufen der Brennerführung vorgesehen werden können, was einen sehr flexiblen Betrieb ermöglicht.
In Figur 9 ist nun die Betriebsweise mit flüssigem Brennstoff dargestellt, wobei in diesem Fall nur Pilotbrennstoff zentral über eine Öffnung 291 in der Spitze der Brennstofflanze 15 eingebracht wird, so dass sich eine einzige zentrale Brennstoffsäule 281 ausbildet.
Eine derartige Betriebsweise kann kombiniert werden, wie dies in Figur 10 dargestellt ist, mit der Einbringung von flüssigem Vormischbrennstoff über zwei Gruppen von Öffnungen in der Brennstofflanze. Dabei gibt es eine erste stromaufwärts angeordnete Reihe 31 von Austrittsöffnungen für
Vormischbrennstoff im mittleren Bereich der Brennstofflanze. Des Weiteren gibt es eine zweite Reihe 33, welche etwas weiter stromab angeordnet ist. Die Öffnungen dieser beiden Reihen sind ebenfalls in Umfangshchtung versetzt angeordnet und die erste Reihe der Öffnungen 31 führt zur Ausbildung von Brennstoffsäulen 30. Die zweite Reihe 33 zur Ausbildung von Brennstoffsäulen 32. Wie aus einem Schnitt senkrecht zur Brennerachse 12 gemäss Figur 11 ersichtlich wird, stellt sich bei dieser Betriebsweise eine Verteilung der Brennstoffsäulen resp. Brennstoff-Trajektohen ein, welche wiederum die versetzten Öffnungen 31 resp. 33 reflektiert und welche sichtbar macht, dass in diesem Fall die Öffnungen 31 grösser ausgebildet sind resp. mit einem grosseren Massenfluss angesteuert werden, so dass sich kräftigere Brennstoffsäulen 30 ausbilden.
In Figur 12 wird ebenfalls eine Betriebsweise mit flüssigem Brennstoff dargestellt. Hier wird nun aber der flüssige Brennstoff über das System 18 zugeführt. Das System 18 im Übergangsbereich 40 verfügt dazu ebenfalls über zwei Gruppen von über den Umfang verteilten Öffnungen. Eine erste Gruppe von Öffnungen ist weiter stromaufwärts angeordnet und bildet die Gruppe 35 von Öffnungen. Eine zweite Gruppe von Öffnungen 37, welche in diesem Fall über die gleiche Leitung gespiesen wird, ist etwas weiter stromab angeordnet. Auch hier sind die Öffnungen 35 und 37 in Umfangshchtung versetzt angeordnet. Die Öffnungen 35 sind grösser ausgebildet als die Öffnungen 37, und in diesem Fall ist auch die Anzahl der Öffnungen der beiden Gruppen 35 resp. 37 nicht gleich.
Namentlich gibt es, wie dies aus einem Schnitt gemäss Figur 13 ersichtlich wird, nur vier Öffnungen 35 und zwölf Öffnungen 37.
Aus Figur 14 wird ersichtlich, dass die weiter oben beschriebenen Betriebsweisen für flüssigen Vormischbrennstoff unter Einbringung über die Brennstofflanze resp. über das System 18 auch gemischt betrieben werden können. So kann hier erkannt werden, dass über die Brennstofflanze über eine Gruppe von Öffnungen 33 eine weitere Mehrzahl von Brennstoffsäulen 32 ausgebildet wird, hier zusammen mit der Einbringung von Pilotbrennstoff 28, welche neben der Einbringung über das System 18 unter Ausbildung der Säulen 36 vorliegt.
Abschliessend zeigt Figur 15 die Möglichkeit des Einsatzes der beiden Systeme 19 und 22 für die Einbringung von gasförmigem Brennstoff. Dabei bilden sich aufgrund des Eintrags über die Öffnungen 21 des Systems 19 die bereits weiter oben beschriebenen Brennstoffsäulen 25 und zusätzlich in Folge der Eintrittsöffnungen 24 des Systems 22 die Brennstoffsäulen 38. Diese Betriebsweise ist bspw. für Synthesegas besonders geeignet.
Die obigen Betriebsweisen ergeben die folgenden Vorteile: Das Pilotgas und der flüssige Pilotbrennstoff wird auf die zentraler Rezirkulationszone gerichtet. Was die Löschgrenze angeht, ist dies die effizienteste Art der Pilotierung eines Brenners.
Durch die zentrale Pilotierung ergibt sich kein Risiko der Überhitzung, da die frei fliessende angereicherte Zone nicht auf Materialoberflächen auftreffen kann. Vormischgas und -öl können auf zwei unterschiedliche Injektoren aufgeteilt werden, was die Vermischung erhöht (zweiseitig und versetzte Injektion für optimale Penetration und Mischung).
Erhöhte Resistenz gegenüber Flammenrückschlag dank der Abwesenheit von Brennstoff auf der Achse und an den Wandbereichen stromab des Übergangsstücks.
Extrem flexible Möglichkeit der Modifikation des Flussfeldes und der Verbrennungsstabilität mit axialer, oder aber auch mit dem Strom resp. gegen den Strom gerichteter Injektion an der Spitze der Brennstofflanze.
Bezugszeichenliste
1 Drallerzeuger
2 Mischrohr
3 Brennkammer 4 Verbrennungsluftstrom
5 zentrale Brennstoffdüse für flüssigen Brennstoff
6 Übergangskanäle
7 tangentiale Lufteintrittsschlitze
8 Buchsenring mit Übergangsstück 9 Rohr
10 Brennerfrontelement
1 1 axiale Geschwindigkeitsverteilung
12 Brennerachse
13 Eindüsung gasförmiger Brennstoff bei 7 14 Teilkegelkörper
15 Brennstofflanze
16 Brennerinnenraum von Drallerzeuger
17 Brennerinnenraum von Mischstrecke
18 Zuführung für flüssigen Brennstoff 19 erste aussenseitige Zuführung für gasförmigen Brennstoff (z. B. Erdgas oder Synthesegas)
20 Zuleitung für 19
21 Austrittsöffnungen von 19
22 zweite aussenseitige Zuführung für gasförmigen Brennstoff (z. B. Synthesegas)
23 Zuleitung für 22 24 Austrittsöffnungen von 22
25 Vormischgasstrom aus erster aussenseitiger Zuführung
26 Pilotgas aus Spitze von 15
27 Pilotgas-Öffnungen in Spitze von 15 28 Vormischgasstrom aus mittlerem Bereich von 15
29 Vormischgas-Öffnungen in 15
281 flüssiger Pilotbrennstoff aus Spitze von 15
291 Öffnung(en) für flüssigen Pilotbrennstoff in Spitze von 15
30 flüssiger Vormischbrennstoff aus erster Reihe aus 15 31 erste Reihe von Austrittsöffnungen für flüssigen Vormischbrennstoff in mittleren Bereich von 15
32 flüssiger Vormischbrennstoff aus zweiter Reihe aus 15
33 zweite Reihe von Austrittsöffnungen für flüssigen Vormischbrennstoff im mittleren Bereich von 15 34 flüssiger Vormischbrennstoff aus erster Reihe aus 18
35 erste Reihe von Austrittsöffnungen für flüssigen Vormischbrennstoff aus 18
36 flüssiger Vormischbrennstoff aus zweiter Reihe aus 18
37 zweite Reihe von Austrittsöffnungen für flüssigen Vormischbrennstoff aus 18
38 Vormischgasstrom aus zweiter aussenseitiger Zuführung
39 flüssiger Brennstoff aus 5
40 Übergangsbereich

Claims

Patentansprüche
1 . Brenner für eine Vorm isch Verbrennung mit einem Drallerzeuger (1 ) und einem nachgeschalteten Mischrohr (2) für die Verbrennung von ) mindestens einem Brennstoff (13, 39), welcher in den Brennerinnenraum
(16, 17) des Drallerzeugers (1 ) oder des Mischrohrs (2) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich (6, 8, 40) vom Drallerzeuger (1 ) zum Mischrohr (2) und/oder stromab dieses Übergangsbereiches (6, 8, 40) wenigstens eine zusätzliche Zuführung (18, 19, 22) zur Einbringung mindestens eines weiteren Brennstoffes in das Mischrohres (2) vorgesehen ist.
2. Brenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine auf der Brennerachse (12) des Brenners angeordnete Brennstofflanze (15) vorhanden ist
3. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brennstofflanze (15) mindestens bis in das Mischrohr (2) erstreckt.
4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die
Brennstofflanze im Bereich von 40-60% der Länge des Mischrohres in dieses erstreckt.
5. Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofflanze (15) derart ausgebildet ist, dass sowohl flüssiger als auch gasförmiger Brennstoff über die Brennstofflanze (15) in den Brennerinnenraum (17) des Mischrohres (2) einbringbar ist..
6. Brenner nach einem der Ansprüche 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Spitze der Brennstofflanze (15) sowohl flüssiger Pilotbrennstoff (281 ) als auch gasförmiger Pilotbrennstoff (26) in den Brennerinnenraum (17) des Mischrohres (2) einbringbar ist, dass der flüssige Pilotbrennstoff (281 ) über wenigstens eine im wesentlichen auf der Brennerachse (12) angeordnete Öffnung (291 ) und/oder der gasförmige Pilotbrennstoff (26) über eine Mehrzahl von radial nach aussen versetzten Öffnungen (27) an der Spitze der Brennstofflanze (15) einbringbar sind.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 2- 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofflanze (15) derart ausgebildet ist, dass flüssiger Brennstoff (30, 32) im Übergangsbereich (6, 8, 40) in den Brennerinnenraum (16, 17) in radialer Richtung einbringbar ist, dass entlang der Brennstofflanze (15) verschiedene, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Reihen oder Gruppen von Öffnungen (31 , 33) vorhanden sind, und diese
Reihen separat mit flüssigem Brennstoff angesteuert werden, und dass die Öffnungen (31 , 33) von verschiedenen Reihen oder Gruppen in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 2- 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofflanze (15) derart ausgebildet ist, dass gasförmiger Brennstoff (28) im Übergangsbereich (6, 8, 40) in den Brennerinnenraum (16, 17) in radialer Richtung einbringbar ist, dass entlang der Brennstofflanze (15) verschiedene, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Reihen oder Gruppen von Öffnungen (29) vorhanden sind, und diese Reihen separat mit gasförmigem Brennstoff angesteuert sind, und dass die Öffnungen (29) von verschiedenen Reihen oder Gruppen in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind.
9. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2- 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofflanze (15) wenigstens ein äusseres Rohr mit einem koaxial angeordneten inneren Rohr und/oder mit radial verlaufenden Trennwänden zur separat kontrollierbaren Zuführung von flüssigem respektive gasförmigem Brennstoff als Pilotbrennstoff zur Spitze der Brennstofflanze (15) und/oder als Vormischbrennstoff zur Einbringung im Übergangsbereich (6, 8, 40) umfasst.
10 Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich (6, 8, 40), insbesondere bevorzugt im Bereich von dort angeordneten Übergangskanälen (6), eine Zuführung (18) für flüssigen Brennstoff angeordnet ist, wobei diese
Zuführung bevorzugtermassen flüssigen Brennstoff über wenigstens eine Reihe von Austrittsöffnungen (35, 37) einbringt, wobei insbesondere wenigstens eine Reihe von in Strömungsrichtung im wesentlichen auf gleicher Höhe angeordneten Austrittsöffnungen (35, 37) angeordnet ist, und wobei insbesondere bevorzugt bei Anwesenheit von mehreren derartigen Reihen von Austrittsöffnungen (35, 37) diese separat angesteuert werden können, und/oder in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind und/oder von unterschiedlicher Grosse ausgebildet sind, und/oder hinsichtlich der Eindüsungsrichtung so eingestellt sind, dass die Wandbereiche nicht mit Brennstoff beaufschlagt werden.
11. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich (6, 8, 40), insbesondere bevorzugt im Bereich von oder unmittelbar stromab von dort angeordneten Übergangskanälen (6) wenigstens eine Zuführung (19, 22) für gasförmigen Brennstoff angeordnet ist, wobei diese Zuführung bevorzugtermassen gasförmigen Brennstoff über wenigstens eine Reihe von Austrittsöffnungen (21 , 24) einbringt, wobei insbesondere wenigstens eine Reihe von in Strömungsrichtung im wesentlichen auf gleicher Höhe angeordneten Austrittsöffnungen (21 , 24) angeordnet ist, und wobei insbesondere bevorzugt bei Anwesenheit von mehreren derartigen Reihen von Austrittsöffnungen (21 , 24) diese separat angesteuert werden können (20, 23), und/oder in Strömungshchtung versetzt angeordnet sind, und/oder von unterschiedlicher Grosse ausgebildet sind und/oder hinsichtlich der Eindüsungshchtung so eingestellt sind, dass die inneren Wandbereiche des Brenners nicht mit
Brennstoff beaufschlagt werden.
12. Brenner nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zuführung (18, 19, 22) wenigstens eine wenigstens teilweise umlaufende Verteilleitung umfasst, welche über eine Zuführung (20, 23) mit Brennstoff angesteuert wird.
13. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger aus mindestens zwei hohlen in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelschalen besteht, dass der Querschnitt des von den hohlen Teilkegelschalen gebildeten Innenraumes in Strömungsrichtung zunimmt, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen dieser Teilkegelschalen versetzt zueinander verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilkegelschalen in deren
Längserstreckung tangentiale Lufteintrittsschlitze oder Kanäle für die Einströmung einer Verbrennungsluft in den von den Teilkegelschalen gebildeten Innenraum bilden.
14. Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger aus mindestens zwei hohlen in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelten sich zu einem Körper ergänzenden Teilschalen besteht, dass der Querschnitt des von den hohlen Teilschalen gebildeten Innenraum in Strömungsrichtung zylindrisch oder quasi-zylindrisch verläuft, dass die jeweiligen Längssymmetrieachsen dieser Teilschalen versetzt zueinander verlaufen, dergestalt, dass die benachbarten Wandungen der Teilschalen in deren Längserstreckung tangentiale Lufteintrittsschlitze oder Kanäle für die Einströmung einer Verbrennungsluft in den von den teilschalen gebildeten Innenraum bilden, und dass der Innenraum einen Innenkörper aufweist, dessen Querschnitt in Strömungshchtung abnimmt.
15. Brenner nach den Ansprüchen 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiger Brennstoff über eine zentrale Brennstoffdüse (5) und/oder gasförmiger Brennstoff (13) an den genannten tangentialen
Lufteintrittsschlitzen eingebracht wird.
16. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich (40) zwischen Drallerzeuger (1 ) und Mischrohr (2) Übergangskanäle (6) zur
Überführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in den stromab der Übergangskanäle nachgeschalteten Durchflussquerschnitt des Mischrohres (2) aufweist.
17. Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Brennstoff-Staging für unterschiedliche Betriebzustände die unterschiedlichen Mittel (18, 19, 22, 27, 29, 291 , 31 , 33, 35, 37) zur Einbringung von flüssigem und/oder gasförmigem Brennstoff in Abhängigkeit der Last, respektive der zu erzeugenden Leistung und/oder der Verbrennungsqualität, respektive
Verbrennungsstabilität, insbesondere auch hinsichtlich Schadstoffemission, einzeln und/oder in Kombination angesteuert werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei unterschiedliche Stufen für den Betrieb mit gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff unter Verwendung von wenigstens zwei in Strömungshchtung hintereinander angeordneten Zuführungen oder unter Verwendung von wenigstens einer Zuführung (29, 31 , 33) im Übergangsbereich (40) über eine Brennstofflanze (15) und wenigstens einer Zuführung (18, 19, 22) im Übergangsbereich (40) vom
Wandbereich in den Brennerinnenraum (17) eingesetzt werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich über die Spitze der Brennstofflanze (15) gasförmiger oder flüssiger Pilotbrennstoff in den Verbrennungsluftstrom eingebracht wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-19, dadurch gekennzeichnet, dass Erdgas und/oder Synthesegas und/oder Erdöl als Brennstoff verwendet werden.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011026982A1 (en) 2009-09-07 2011-03-10 Alstom Technology Ltd Method for switching over a gas turbine burner operation from liquid to gas fuel and vice-versa
JP2011153624A (ja) * 2010-01-26 2011-08-11 Alstom Technology Ltd ガスタービンの運転方法およびガスタービン
ITMI20111576A1 (it) * 2011-09-02 2013-03-03 Alstom Technology Ltd Metodo per commutare un dispositivo di combustione
WO2015040228A1 (de) * 2013-09-23 2015-03-26 Siemens Aktiengesellschaft Brenner für eine gasturbine und verfahren zur reduzierung von thermoakustischen schwingungen in einer gasturbine

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2058590B1 (de) * 2007-11-09 2016-03-23 Alstom Technology Ltd Verfahren zum Betrieb eines Brenners
WO2009109454A1 (de) * 2008-03-07 2009-09-11 Alstom Technology Ltd Verfahren und brenneranordnung zum erzeugen von heissgas sowie anwendung des verfahrens
EP2252831B1 (de) * 2008-03-07 2013-05-08 Alstom Technology Ltd Brenneranordnung sowie anwendung einer solchen brenner-anordnung
GB2492762B (en) * 2011-07-11 2015-12-23 Rolls Royce Plc A Method of Mixing Fuel and Air in a Combustion Chamber
DE102011088524A1 (de) * 2011-12-14 2013-06-20 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Stabilisieren einer Netzfrequenz mit einer Gasturbine im Brennstoffmischbetrieb
US9134023B2 (en) * 2012-01-06 2015-09-15 General Electric Company Combustor and method for distributing fuel in the combustor
RU2633249C2 (ru) * 2012-03-29 2017-10-11 Ансалдо Энерджиа Свитзерлэнд Аг Камера сгорания газовой турбины
JP2013245900A (ja) * 2012-05-29 2013-12-09 Hitachi Ltd ガスタービン燃焼器
JP5584260B2 (ja) * 2012-08-08 2014-09-03 日野自動車株式会社 排気浄化装置用バーナー
JP6664389B2 (ja) * 2014-10-23 2020-03-13 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトSiemens Aktiengesellschaft タービンエンジン用のフレキシブルな燃料燃焼システム
EP3078913A1 (de) * 2015-04-09 2016-10-12 Siemens Aktiengesellschaft Brennkammerbrenneranordnung
EP3133342A1 (de) * 2015-08-20 2017-02-22 Siemens Aktiengesellschaft Vorgemischter dualer brennstoffbrenner mit sich verschmälernder einspritzkomponente für den hauptflüssigbrennstoff
JP6779097B2 (ja) * 2016-10-24 2020-11-04 三菱パワー株式会社 ガスタービン燃焼器及びその運転方法
US10890329B2 (en) 2018-03-01 2021-01-12 General Electric Company Fuel injector assembly for gas turbine engine
US10907832B2 (en) 2018-06-08 2021-02-02 General Electric Company Pilot nozzle tips for extended lance of combustor burner
US10935245B2 (en) 2018-11-20 2021-03-02 General Electric Company Annular concentric fuel nozzle assembly with annular depression and radial inlet ports
US11286884B2 (en) 2018-12-12 2022-03-29 General Electric Company Combustion section and fuel injector assembly for a heat engine
US11073114B2 (en) 2018-12-12 2021-07-27 General Electric Company Fuel injector assembly for a heat engine
US11156360B2 (en) 2019-02-18 2021-10-26 General Electric Company Fuel nozzle assembly
US11692711B2 (en) 2021-08-13 2023-07-04 General Electric Company Pilot burner for combustor

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0833105A2 (de) * 1996-09-30 1998-04-01 Abb Research Ltd. Vormischbrenner
DE19757189A1 (de) * 1997-12-22 1999-06-24 Abb Research Ltd Verfahren zum Betrieb eines Brenners eines Wärmeerzeugers
EP1213536A2 (de) * 2000-12-11 2002-06-12 ALSTOM Power N.V. Vormischbrenneranordnung mit katalytischem Pilotbrenner
DE10104695A1 (de) * 2001-02-02 2002-08-08 Alstom Switzerland Ltd Vormischbrenner sowie Verfahren zum Betrieb eines derartigen Vormischbrenners
WO2003056241A1 (de) * 2001-12-24 2003-07-10 Alstom Technology Ltd Brenner mit gestufter brennstoffeinspritzung
WO2005121648A1 (de) * 2004-06-08 2005-12-22 Alstom Technology Ltd Vormischbrenner mit gestufter flüssigbrennstoffversorgung sowie verfahren zum betreiben eines vormischbrenners
WO2006058843A1 (de) * 2004-11-30 2006-06-08 Alstom Technology Ltd Verfahren und vorrichtung zur verbrennung von wasserstoff in einem vormischbrenner
WO2006069861A1 (de) * 2004-12-23 2006-07-06 Alstom Technology Ltd Vormischbrenner mit mischstrecke
DE102005015152A1 (de) * 2005-03-31 2006-10-05 Alstom Technology Ltd. Vormischbrenner für eine Gasturbinenbrennkammer

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH674561A5 (de) 1987-12-21 1990-06-15 Bbc Brown Boveri & Cie
US5307634A (en) 1992-02-26 1994-05-03 United Technologies Corporation Premix gas nozzle
DE4435266A1 (de) 1994-10-01 1996-04-04 Abb Management Ag Brenner
DE19545309A1 (de) 1995-12-05 1997-06-12 Asea Brown Boveri Vormischbrenner
JP4625609B2 (ja) 2000-06-15 2011-02-02 アルストム テクノロジー リミテッド バーナーの運転方法と段階的予混合ガス噴射バーナー
EP2179222B2 (de) * 2007-08-07 2021-12-01 Ansaldo Energia IP UK Limited Brenner für eine brennkammer einer turbogruppe

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0833105A2 (de) * 1996-09-30 1998-04-01 Abb Research Ltd. Vormischbrenner
DE19757189A1 (de) * 1997-12-22 1999-06-24 Abb Research Ltd Verfahren zum Betrieb eines Brenners eines Wärmeerzeugers
EP1213536A2 (de) * 2000-12-11 2002-06-12 ALSTOM Power N.V. Vormischbrenneranordnung mit katalytischem Pilotbrenner
DE10104695A1 (de) * 2001-02-02 2002-08-08 Alstom Switzerland Ltd Vormischbrenner sowie Verfahren zum Betrieb eines derartigen Vormischbrenners
WO2003056241A1 (de) * 2001-12-24 2003-07-10 Alstom Technology Ltd Brenner mit gestufter brennstoffeinspritzung
WO2005121648A1 (de) * 2004-06-08 2005-12-22 Alstom Technology Ltd Vormischbrenner mit gestufter flüssigbrennstoffversorgung sowie verfahren zum betreiben eines vormischbrenners
WO2006058843A1 (de) * 2004-11-30 2006-06-08 Alstom Technology Ltd Verfahren und vorrichtung zur verbrennung von wasserstoff in einem vormischbrenner
WO2006069861A1 (de) * 2004-12-23 2006-07-06 Alstom Technology Ltd Vormischbrenner mit mischstrecke
DE102005015152A1 (de) * 2005-03-31 2006-10-05 Alstom Technology Ltd. Vormischbrenner für eine Gasturbinenbrennkammer

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011026982A1 (en) 2009-09-07 2011-03-10 Alstom Technology Ltd Method for switching over a gas turbine burner operation from liquid to gas fuel and vice-versa
EP2299091A1 (de) * 2009-09-07 2011-03-23 Alstom Technology Ltd Verfahren zum Umschalten des Betriebes eines Gasturbinenbrenners von flüssigen auf gasförmigen Brennstoff und umgekehrt.
US9163560B2 (en) * 2009-09-07 2015-10-20 Alstom Technology Ltd. Method for switching over a gas turbine burner operation from liquid to gas fuel and vice-versa
CN102482997A (zh) * 2009-09-07 2012-05-30 阿尔斯通技术有限公司 用于从液体燃料到气体燃料和相反过程的转换燃气轮机燃烧器操作的方法
US20120247116A1 (en) * 2009-09-07 2012-10-04 Alstom Technology Ltd Method for switching over a gas turbine burner operation from liquid to gas fuel and vice-versa
JP2013504004A (ja) * 2009-09-07 2013-02-04 アルストム テクノロジー リミテッド ガスタービン燃焼器の動作を液体燃料から気体燃料へとおよびその逆へと切り替えるための方法
US9062886B2 (en) 2010-01-26 2015-06-23 Alstom Technology Ltd. Sequential combustor gas turbine including a plurality of gaseous fuel injection nozzles and method for operating the same
JP2011153624A (ja) * 2010-01-26 2011-08-11 Alstom Technology Ltd ガスタービンの運転方法およびガスタービン
DE102011008009B4 (de) * 2010-01-26 2019-07-18 Ansaldo Energia Switzerland AG Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine und Gasturbine
EP2565427A1 (de) * 2011-09-02 2013-03-06 Alstom Technology Ltd Verfahren zum Umschalten einer Verbrennungsvorrichtung eines Gasturbinentriebwerks von einem Betrieb mit einem ersten Vormischbrennstoff zu einem zweiten Vormischbrennstoff
ITMI20111576A1 (it) * 2011-09-02 2013-03-03 Alstom Technology Ltd Metodo per commutare un dispositivo di combustione
US9388745B2 (en) 2011-09-02 2016-07-12 General Electric Technology Gmbh Method for switching over a combustion device between a first fuel and a second fuel
WO2015040228A1 (de) * 2013-09-23 2015-03-26 Siemens Aktiengesellschaft Brenner für eine gasturbine und verfahren zur reduzierung von thermoakustischen schwingungen in einer gasturbine

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Publication number Publication date
EP2225488A1 (de) 2010-09-08
US8033821B2 (en) 2011-10-11
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EP2225488B1 (de) 2013-07-17

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