WO2010136300A2 - Brenner und verfahren zur verringerung von selbstinduzierten flammenschwingungen in einem brenner - Google Patents

Brenner und verfahren zur verringerung von selbstinduzierten flammenschwingungen in einem brenner Download PDF

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WO2010136300A2
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burner
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flow body
jet pipe
mixture
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Olaf Hein
Jaap Van Kampen
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/16—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration with devices inside the flame tube or the combustion chamber to influence the air or gas flow
    • F23R3/18—Flame stabilising means, e.g. flame holders for after-burners of jet-propulsion plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the present invention relates to a burner, in particular for a gas turbine, and to a method for reducing self-induced flame oscillations in a burner.
  • combustion chamber vibrations are an undesirable side effect of the combustion process, since they cause an increased mechanical and thermal loading of the burner components and the combustion chamber components.
  • combustion chamber hum caused an increased noise in the environment of the respective combustion chamber.
  • a reduction in the combustion chamber humming or a minimization of self-induced flame vibrations has hitherto been achieved in part with the aid of Helmholtz resonators.
  • Another possibility is to supply the burner used an increased pilot gas quantity. Pilot gas or pilot fuel is usually used to stabilize the flame. An increased Supply of pilot gas, however, can also lead to increased NO x emissions.
  • the first object is achieved by a burner according to claim 1.
  • the second object is achieved by a gas turbine according to claim 10.
  • the third object is achieved by a method according to claim 11.
  • the burner according to the invention comprises a mixture forming zone for forming a fuel-air mixture and a burner outlet. Between the mixture-forming zone and the burner outlet, an acceleration zone for increasing the speed of the fuel-air mixture is arranged.
  • the acceleration zone comprises at least one flow body.
  • the flow body is flowed around by the fuel-air mixture during operation of the burner in the output region of the burner.
  • the purpose of the flow body is to seal off or at least mitigate pressure waves which propagate from the combustion chamber in the direction of the mixture formation zone.
  • an acoustic partial decoupling is effected between a combustion chamber adjoining the burner outlet and the mixture-forming zone.
  • this partial decoupling can be achieved by measures which, at a suitable point between the mixture-forming zone and the combustion chamber, markedly raise the level of the speed of the fuel-air mixture, in particular with the aid of a Flow body.
  • a velocity level based on the speed of sound should be set here between 0.35 Ma and 0.45 Ma.
  • the acceleration zone can be arranged, for example, in a jet pipe.
  • the jet pipe can also comprise a central axis and the flow body can be arranged in the region of the central axis.
  • the flow body by means of at least one strut connected to the jet pipe, in particular fixed.
  • a diffuser can be arranged between the acceleration zone and the burner outlet.
  • the pressure losses generated as a result of the acceleration of the fuel-air mixture can be minimized and the greatest possible pressure recovery can be effected.
  • the diffuser can be designed so that a free flow in the diffuser is ensured at each operating point. In this way, possible flashbacks are effectively prevented.
  • the flow body may comprise a region facing the burner exit. In this region, which faces the burner outlet, the flow body may comprise at least one opening for blowing air and / or fuel into the jet pipe.
  • the jet pipe may include a central axis and at least one opening for blowing air and / or fuel into the jet pipe.
  • the opening in the jet pipe is arranged in an axial region with respect to the central axis, which corresponds to the position of the area of the flow body facing the burner outlet.
  • secondary air can be injected into the jet pipe in the rear region of the flow body, that is to say toward the burner outlet. This causes at least partial absorption of the sound waves, which, starting from the combustion chamber, move in the direction of the burner.
  • the burner may include a fuel supply with a fuel acceleration zone.
  • the fuel acceleration zone may be configured as a nozzle having a tapered cross section.
  • the fuel acceleration zone may comprise at least one flow body.
  • the fuel supply may include an output. Between the fuel acceleration zone and the outlet, a diffuser may be arranged.
  • the fuel acceleration zone can be designed as a fuel jet tube.
  • Fuel jet tube may comprise a central axis and the flow body may be arranged in the region of the central axis.
  • the flow body can be connected, in particular fastened, by means of at least one strut with the fuel jet tube.
  • the burner can basically be designed as a jet burner, preferably as a spin-free jet burner.
  • the gas turbine according to the invention comprises a burner according to the invention, as described in the preceding sections.
  • the gas turbine according to the invention has in particular the same advantages as the burner according to the invention.
  • the method according to the invention for reducing self-induced flame vibrations relates to a burner which has a mixture-forming zone, a burner outlet and between the mixture-forming zone and comprises the burner output arranged acceleration zone.
  • a fuel-air mixture is formed in the mixture-forming zone.
  • the acceleration zone the speed of the fuel-air mixture is increased.
  • the fuel-air mixture is conducted past a flow body in the acceleration zone. This causes a partial acoustic decoupling between the mixture forming zone and a combustion chamber adjoining the burner outlet.
  • the velocity of the fuel-air mixture is preferably increased to a value between 0.35 Ma and 0.45 Ma when passing by the flow body.
  • the pressure of the fuel-air mixture can be increased.
  • the pressure losses generated as a result of the acceleration can be reduced.
  • the pressure of the fuel-air mixture can in particular by means of a diffuser, which for example a
  • Opening angle in the range of greater than 0 degrees to about 10 degrees may be increased.
  • the acceleration zone can be designed as a jet pipe.
  • the flow body may comprise a region facing the burner exit. In the region of the flow body facing the burner outlet, air can be blown into the jet pipe. This causes at least partial absorption of the sound waves, which, starting from the combustion chamber, move in the direction of the burner.
  • the burner may include a fuel supply with a fuel acceleration zone.
  • the velocity of fuel flowing through the fuel supply may be increased in the fuel acceleration zone. This will in addition to the acoustic partial decoupling in the exit area of the burner also in the
  • the speed of fuel flowing through the fuel feed may be in the
  • Fuel acceleration zone for example, be increased by the fact that the fuel is conducted past a flow body.
  • the velocity of fuel flowing through the fuel supply may be further increased in the fuel acceleration zone by passing the fuel through a fuel acceleration zone configured as a nozzle having a tapered cross-section.
  • the partial acoustic decoupling between the combustion chamber and the mixture formation zone which is achieved in the context of the invention by raising the speed of the fuel-air mixture, reduces the formation of self-induced flame oscillations and combustion chamber hum.
  • Fig. 1 shows schematically a gas turbine.
  • Fig. 2 shows schematically the emergence of self-induced flame oscillations or the emergence of Brennschbrummens.
  • Fig. 3 shows schematically a burner according to the invention.
  • Fig. 4 shows schematically a fuel supply according to the invention.
  • Fig. 5 shows schematically an alternative fuel supply according to the invention.
  • FIG. 1 shows schematically a gas turbine.
  • a gas turbine has inside a rotor rotatably mounted about a rotation axis with a shaft 107, which is also referred to as a turbine runner.
  • a turbine runner Along the rotor follow one another an intake housing 109, a compressor 101, a combustion system 151 with a number of jet burners 1, a turbine 105 and the exhaust housing 190.
  • the combustion system 151 communicates with a, for example, annular hot gas channel.
  • a plurality of successively connected turbine stages form the turbine 105.
  • Each turbine stage is formed of blade rings. As seen in the flow direction of a working medium follows in the hot gas duct of a guide vane row 117 a
  • Blades 115 formed series.
  • the guide vanes 117 are fastened to an inner housing of a stator, whereas the moving blades 115 of a row are attached to the rotor, for example by means of a turbine disk. Coupled to the rotor is a generator or a work machine.
  • Combustion system 151 out and mixed there with a fuel. The mixture is then using the jet burner 1 burned to form the working medium in the combustion system 151. From there, the working medium flows past the guide vanes 117 and the rotor blades 115 along the hot gas channel. At the rotor blades 115, the working medium expands in a pulse-transmitting manner, so that the rotor blades 115 drive the rotor and this drives the working machine coupled thereto or a generator (not shown).
  • FIG. 2 schematically shows the occurrence of self-induced flame oscillations or combustion chamber hum.
  • the starting point is the occurrence of initially small pressure fluctuations 20 in the combustion chamber. These pressure fluctuations 20 lead to changes in the air mass flow 21 in the burner channels. These changes in the air mass flow in the burner channels 21 in turn cause a change in the flow rate 22 and / or a change in the mixture composition 23. The change in the mixture composition 23 in turn leads to a change in the flame speed or auto-ignition 24th
  • the change in position and shape of the ignition position or the flame front 25 leads to a change in the heat release and the heat transfer 26, which in turn has a local pressure and temperature change 27 result.
  • the local pressure and temperature change 27 induces a pressure pulse 28, which in turn amplifies the pressure fluctuations in the combustion chamber 20.
  • FIG. 3 shows schematically a burner according to the invention.
  • the burner 1 comprises a burner outlet 2 leading to a combustion chamber, a flow channel 8 designed as a jet pipe, and a fuel feed 5.
  • the center axis of the burner 1 is identified by the reference numeral 4.
  • the central axis 4 of the burner 1 also represents the central axis of the fuel feed 5 and the jet pipe 8. At the same time, however, the supply of the fuel can also be carried out differently.
  • the fuel feed 5 is configured as a fuel jet tube and comprises an output 18, through which a fuel 6 is injected into an air stream 7 surrounding the fuel feed 5. Immediately before the output 18 of the fuel supply 5 thus forms a
  • the resulting fuel-air mixture then flows into the jet pipe 8.
  • the jet pipe 8 comprises a
  • the flow body 10 and designed as a diffuser region 12.
  • the flow body 10 has an oval shape with an axis of symmetry about which the oval is rotationally symmetrical. It is arranged in the region of the central axis 4 and fastened by means of a strut 13 on the jet pipe 8.
  • the symmetry axis of the oval coincides with the central axis 4 of the jet pipe 8.
  • the flow body 10 comprises an obtuse region 15 facing the fuel feed 5 and a tapering region 14 facing the burner exit 2.
  • the blunt region 15 of the flow body 10 leads to a reduction of the flow cross section in the flow direction of the fluid flowing through the jet tube 8.
  • the pointed region 14 of the flow body leads to an enlargement of the flow cross-section, which is available to the flowing fluid.
  • the burner outlet 2 facing tapered region 14 of the flow body 10 includes openings through which secondary air and / or fuel is injected into the leading to the burner outlet 2 region of the jet pipe 8 or can be blown. This is illustrated by arrows 17
  • the jet pipe 8 is configured in a region 12, which extends from the flow body to the burner exit 2, with a cross section enlarging towards the burner outlet 2 and thus as a diffuser 12.
  • the jet pipe 8 or the diffuser comprises openings through which secondary air and / or fuel is blown or blown into the area of the jet pipe 8 leading to the burner exit 2. This is illustrated by arrows 16 in FIG.
  • the flow direction of the fuel-air mixture generated in the mixture-forming zone 3 in the jet pipe 8 is indicated by the reference numeral 11.
  • the fuel-air mixture flows around the flow body 10 and is initially accelerated. This area is marked as acceleration zone 9 in FIG. Subsequently, the fuel-air mixture flows through the configured as a diffuser 12 region of the jet pipe 8, wherein the pressure of the fuel-air mixture increases.
  • secondary air 16, 17 into the jet pipe 8 in the region of the flow body 10 facing the burner exit 2 or into the region 12 designed as a diffuser, an at least partial absorption of the sound waves is obtained, which move from the combustion chamber in the direction of the burner.
  • FIG. 4 schematically shows a fuel feed 5a according to the invention, which differs from the fuel feed 5 shown in FIG. 3 in that it comprises a flow body 29.
  • the flow body 29, the shape of the flow body 10th may correspond in the jet pipe 8, is arranged in the interior of the fuel supply 5a in the region of the central axis 19 of the fuel supply 5a.
  • the flow body 29 is attached by means of a strut 32 to the fuel supply 5a.
  • the fuel 6 flows around the flow body 29.
  • the fuel 6 is first accelerated in a fuel acceleration zone 30 characterized by a flow cross section decreasing in the flow direction.
  • the pressure of the fuel 6 is increased in a zone 31 of the fuel feed 5a which is characterized by a flow cross section increasing in the flow direction. In this way, any flow fluctuations in the fuel supply 5a are reduced.
  • FIG. 5 schematically shows an alternative fuel feed 5b according to the invention, which differs from the fuel feed 5 illustrated in FIG. 3 in that it comprises a region 33 designed as a venturi nozzle with a tapering cross section. This area acts as a fuel acceleration zone 30. At this area, in the direction of the outlet 18 of the fuel feed 5b, a region 31 adjoins, in which the cross section of the fuel feed 5b increases. As it flows through this region 31, the pressure of the fuel 6 is increased. In this way, any flow fluctuations in the fuel supply 5b are reduced.

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Abstract

Es wird ein Brenner (1) zur Verfügung gestellt, der eine Gemischbildungszone (3) zur Ausbildung eines Brennstoff-Luft-Gemisches (11) und einen Brennerausgang (2) umfasst. Zwischen der Gemischbildungszone (3) und dem Brennerausgang (2) ist eine Beschleunigungszone (9) zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches (11) angeordnet. Die Beschleunigungszone (9) umfasst mindestens einen Strömungskörper (10).

Description

Beschreibung
Brenner und Verfahren zur Verringerung von selbstinduzierten Flammenschwingungen in einem Brenner
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner, insbesondere für eine Gasturbine, und ein Verfahren zur Verringerung von selbstinduzierten Flammenschwingungen in einem Brenner.
Selbstinduzierte Flammenschwingungen treten vielfach in Brennkammern auf und werden in diesem Zusammenhang auch als Brennkammerbrummen bezeichnet. Für die Ausbildung von Brennkammerschwingungen sind eine Rückkopplung zwischen Druckänderungen in der Brennkammer und
Massenstromschwankungen von Brennstoff und Luft verantwortlich. Dabei führt eine kleine Druckschwankung in der Brennkammer zu einer zunächst ebenfalls kleinen Schwankung der Gemischzusammensetzung in der Gemischbildungszone (fluktuierende Lambda-Zahl) . Diese beiden Schwankungen schaukeln sich gegenseitig auf und führen zu dem sogenannten Brennkammerbrummen.
Die Brennkammerschwingungen stellen einen unerwünschten Nebeneffekt des Verbrennungsvorganges dar, da sie eine erhöhte mechanische und thermische Belastung der Brennerbauteile und der Brennkammerbauteile bewirken. Zudem verursacht das Brennkammerbrummen eine erhöhte Lärmbelastung in der Umgebung der jeweiligen Brennkammer.
Eine Verringerung des Brennkammerbrummens beziehungsweise eine Minimierung von selbstinduzierten Flammenschwingungen wird bisher teilweise mit Hilfe von Helmholtz-Resonatoren erreicht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dem verwendeten Brenner eine erhöhte Pilotgasmenge zuzuführen. Pilotgas beziehungsweise Pilotbrennstoff wird üblicherweise zur Stabilisierung der Flamme eingesetzt. Eine erhöhte Zuführung von Pilotgas kann allerdings auch zu erhöhten NOx- Emissionen führen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Brenner zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine vorteilhafte Gasturbine zur Verfügung zu stellen. Es ist zudem eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zur Verringerung von selbstinduzierten Flammenschwingungen zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch einen Brenner nach Anspruch 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch eine Gasturbine nach Anspruch 10 gelöst. Die dritte Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Brenner umfasst eine Gemischbildungszone zur Ausbildung eines Brennstoff-Luft-Gemisches und einen Brennerausgang. Zwischen der Gemischbildungszone und dem Brennerausgang ist eine Beschleunigungszone zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches angeordnet. Die Beschleunigungszone umfasst mindestens einen Strömungskörper.
Um die Beschleunigungszone zu realisieren, wird während des Betriebs des Brenners im Ausgangsbereich des Brenners der Strömungskörper von dem Brennstoff-Luft-Gemisch umströmt. Der Strömungskörper hat den Zweck Druckwellen, die sich von der Brennkammer in Richtung der Gemischbildungszone ausbreiten, abzuschotten oder zumindest abzumildern. Dadurch wird eine akustische Teilentkopplung zwischen einer an den Brennerausgang anschließenden Brennkammer und der Gemischbildungszone bewirkt. Diese Teilentkopplung kann grundsätzlich durch Maßnahmen erreicht werden, die an geeigneter Stelle zwischen der Gemischbildungszone und der Brennkammer das Niveau der Geschwindigkeit des Brennstoff- Luft-Gemisches deutlich anheben, insbesondere mit Hilfe eines Strömungskörpers. Vorzugsweise soll hier ein auf die Schallgeschwindigkeit bezogenes Geschwindigkeitsniveau zwischen 0,35 Ma und 0,45 Ma eingestellt werden.
Die Beschleunigungszone kann zum Beispiel in einem Strahlrohr angeordnet sein. Das Strahlrohr kann zudem eine Mittelachse umfassen und der Strömungskörper kann im Bereich der Mittelachse angeordnet sein. Vorzugsweise kann der Strömungskörper mittels mindestens einer Strebe mit dem Strahlrohr verbunden, insbesondere befestigt, sein.
Zudem kann vorteilhafterweise zwischen der Beschleunigungszone und dem Brennerausgang ein Diffusor angeordnet sein. Durch den Einsatz eines Diffusors können die infolge der Beschleunigung des Brennstoff-Luft-Gemisches erzeugten Druckverluste minimiert werden und ein weitestgehender Druckrückgewinn bewirkt werden. Der Diffusor kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass in jedem Betriebspunkt eine ablösefreie Strömung im Diffusor gewährleistet wird. Auf diese Weise wird möglichen Flammenrückschlägen wirksam vorgebeugt.
Der Strömungskörper kann einen dem Brennerausgang zugewandten Bereich umfassen. In diesem, dem Brennerausgang zugewandten Bereich kann der Strömungskörper mindestens eine Öffnung zum Einblasen von Luft und/oder Brennstoff in das Strahlrohr umfassen. Zudem kann das Strahlrohr eine Mittelachse und mindestens eine Öffnung zum Einblasen von Luft und/oder Brennstoff in das Strahlrohr umfassen. Die Öffnung im Strahlrohr ist in einem axialen Bereich bezüglich der Mittelachse angeordnet, welcher der Position des dem Brennerausgang zugewandten Bereichs des Strömungskörpers entspricht. Auf diese Weise kann im hinteren, also dem Brennerausgang zugewandten, Bereich des Strömungskörpers ein Einblasen von Sekundärluft in das Strahlrohr erfolgen. Dies bewirkt eine zumindest teilweise Absorption der Schallwellen, die von der Brennkammer ausgehend sich in Richtung Brenner bewegen . Weiterhin kann der Brenner eine BrennstoffZuführung mit einer Brennstoffbeschleunigungszone umfassen. Dadurch werden zusätzlich zu der akustischen Teilentkopplung im Austrittsbereich des Brenners auch in der BrennstoffZuführung nach dem gleichen Prinzip eventuelle Durchflussschwankungen reduziert .
Die Brennstoffbeschleunigungszone kann zum Beispiel als eine Düse mit einem sich verjüngenden Querschnitt ausgestaltet sein. Weiterhin kann die Brennstoffbeschleunigungszone mindestens einen Strömungskörper umfassen. Zudem kann die BrennstoffZuführung einen Ausgang umfassen. Zwischen der Brennstoffbeschleunigungszone und dem Ausgang kann ein Diffusor angeordnet sein.
Grundsätzlich kann die Brennstoffbeschleunigungszone als BrennstoffStrahlrohr ausgestaltet sein. Das
BrennstoffStrahlrohr kann eine Mittelachse umfassen und der Strömungskörper kann im Bereich der Mittelachse angeordnet sein. Insbesondere kann der Strömungskörper mittels mindestens einer Strebe mit dem BrennstoffStrahlrohr verbunden, insbesondere befestigt, sein.
Der Brenner kann grundsätzlich als Strahlbrenner, vorzugsweise als drallfreier Strahlbrenner, ausgestaltet sein .
Die erfindungsgemäße Gasturbine umfasst einen erfindungsgemäßen Brenner, wie er in den vorangegangenen Abschnitten beschrieben wurde. Die erfindungsgemäße Gasturbine hat insbesondere dieselben Vorteile wie der erfindungsgemäße Brenner.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verringerung von selbstinduzierten Flammenschwingungen bezieht sich auf einen Brenner, welcher eine Gemischbildungszone, einen Brennerausgang und eine zwischen der Gemischbildungszone und dem Brennerausgang angeordnete Beschleunigungszone umfasst. In der Gemischbildungszone wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch ausgebildet. In der Beschleunigungszone wird die Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches erhöht. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Brennstoff- Luft-Gemisch in der Beschleunigungszone an einem Strömungskörper vorbeigeleitet. Dadurch wird eine akustische Teilentkopplung zwischen der Gemischbildungszone und einer an den Brennerausgang anschließenden Brennkammer bewirkt.
Die Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches wird beim Vorbeileiten an dem Strömungskörper vorzugsweise auf einen Wert zwischen 0,35 Ma und 0,45 Ma erhöht.
Darüber hinaus kann nach der Erhöhung der Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches der Druck des Brennstoff-Luft- Gemisches erhöht werden. Dadurch können die infolge der Beschleunigung erzeugten Druckverluste verringert werden. Der Druck des Brennstoff-Luft-Gemisches kann insbesondere mit Hilfe eines Diffusors, welcher beispielsweise einen
Öffnungswinkel im Bereich von größer 0 Grad bis ca. 10 Grad aufweisen kann, erhöht werden. Durch die Verwendung eines Diffusors wird ein weitestgehender Druckrückgewinn ermöglicht .
Grundsätzlich kann die Beschleunigungszone als Strahlrohr ausgestaltet sein. Der Strömungskörper kann einen dem Brennerausgang zugewandten Bereich umfassen. In dem dem Brennerausgang zugewandten Bereich des Strömungskörpers kann Luft in das Strahlrohr eingeblasen werden. Dies bewirkt eine zumindest teilweise Absorption der Schallwellen, die von der Brennkammer ausgehend sich in Richtung Brenner bewegen.
Weiterhin kann der Brenner eine BrennstoffZuführung mit einer Brennstoffbeschleunigungszone umfassen. Die Geschwindigkeit eines die BrennstoffZuführung durchströmenden Brennstoffes kann in der Brennstoffbeschleunigungszone erhöht werden. Dadurch werden zusätzlich zu der akustischen Teilentkopplung im Austrittsbereich des Brenners auch in der
BrennstoffZuführung nach dem gleichen Prinzip eventuelle
Durchflussschwankungen reduziert .
Die Geschwindigkeit eines die BrennstoffZuführung durchströmenden Brennstoffes kann in der
Brennstoffbeschleunigungszone beispielsweise dadurch erhöht werden, dass der Brennstoff an einem Strömungskörper vorbeigeleitet wird. Die Geschwindigkeit eines die BrennstoffZuführung durchströmenden Brennstoffes kann in der Brennstoffbeschleunigungszone weiterhin dadurch erhöht werden, dass der Brennstoff durch eine als eine Düse mit einem sich verjüngenden Querschnitt ausgestaltete Brennstoffbeschleunigungszone geleitet wird.
Zudem kann nach der Erhöhung der Geschwindigkeit des Brennstoffes der Druck des Brennstoffes erhöht werden, zum Beispiel mit Hilfe eines Diffusors.
Insgesamt wird durch die akustische Teilentkopplung zwischen Brennkammer und Gemischbildungszone, die im Rahmen der Erfindung durch eine Anhebung der Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches erreicht wird, die Ausbildung von selbstinduzierten Flammenschwingungen und das Brennkammerbrummen verringert.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand eines
Ausführungsbeispieles mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Die Ausführungsvarianten sind sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Gasturbine.
Fig. 2 zeigt schematisch das Entstehen von selbstinduzierten Flammenschwingungen beziehungsweise das Entstehen des Brennkammerbrummens. Fig. 3 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Brenner.
Fig. 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße BrennstoffZuführung .
Fig. 5 zeigt schematisch eine alternative erfindungsgemäße BrennstoffZuführung.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine Gasturbine. Eine Gasturbine weist im Inneren einen um eine Rotationsachse drehgelagerten Rotor mit einer Welle 107 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 109, ein Verdichter 101, ein Verbrennungssystem 151 mit einer Anzahl von Strahlbrennern 1, eine Turbine 105 und das Abgasgehäuse 190.
Das Verbrennungssystem 151 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 105. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißgaskanal einer Leitschaufelreihe 117 eine aus
Laufschaufeln 115 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 117 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 115 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor angebracht sind. An dem Rotor angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine .
Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 101 durch das Ansauggehäuse 109 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 101 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu dem
Verbrennungssystem 151 geführt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann mit Hilfe der Strahlbrenner 1 unter Bildung des Arbeitsmediums im Verbrennungssystem 151 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 117 und den Laufschaufeln 115 vorbei. An den Laufschaufeln 115 entspannt sich das Arbeitsmedium impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 115 den Rotor antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine beziehungsweise einen Generator (nicht dargestellt) .
Die Figur 2 zeigt schematisch das Zustandekommen von selbstinduzierten Flammenschwingungen beziehungsweise des Brennkammerbrummens. Ausgangspunkt ist das Auftreten von zunächst kleinen Druckschwankungen 20 in der Brennkammer. Diese Druckschwankungen 20 führen zu Änderungen des Luftmassenstroms 21 in den Brennerkanälen. Diese Änderungen des Luftmassenstroms in den Brennerkanälen 21 wiederum bewirken eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit 22 und/oder eine Änderung der Gemischzusammensetzung 23. Die Änderung der Gemischzusammensetzung 23 ihrerseits führt zu einer Änderung der Flammgeschwindigkeit beziehungsweise der Selbstzündzeit 24.
Die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit 22 und/oder die Änderung der Flammgeschwindigkeit beziehungsweise der Selbstzündzeit 24 bewirken/bewirkt eine Positions- und
Formänderung der Zündposition beziehungsweise der Flammfront 25. Die Positions- und Formänderung der Zündposition beziehungsweise der Flammfront 25 führt zu einer Änderung der Wärmefreisetzung und der Wärmeübertragung 26, was wiederum eine lokale Druck- und Temperaturänderung 27 zur Folge hat. Die lokale Druck- und Temperaturänderung 27 induziert einen Druckimpuls 28, der seinerseits die Druckschwankungen in der Brennkammer 20 verstärkt.
Der zuvor beschriebene Prozess führt zu einem Aufschaukeln der genannten Schwankungen und verursacht selbstinduzierte Flammenschwingungen und das Brennkammerbrummen. Die Figur 3 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Brenner. Der Brenner 1 umfasst einen zu einer Brennkammer hinführenden Brennerausgang 2, einen als Strahlrohr ausgestalteten Strömungskanal 8 und eine BrennstoffZuführung 5. Die Mittelachse des Brenners 1 ist durch die Bezugsziffer 4 gekennzeichnet. Die Mittelachse 4 des Brenners 1 stellt zugleich auch die Mittelachse der BrennstoffZuführung 5 und des Strahlrohres 8 dar. Grundsätzlich kann die Zufuhr des Brennstoffes jedoch auch anders erfolgen.
Die BrennstoffZuführung 5 ist als BrennstoffStrahlrohr ausgestaltet und umfasst einen Ausgang 18, durch den ein Brennstoff 6 in einen die BrennstoffZuführung 5 umgebenden Luftstrom 7 eingedüst wird. Unmittelbar vor dem Ausgang 18 der BrennstoffZuführung 5 bildet sich somit eine
Gemischbildungszone 3 aus, in der sich der Brennstoff 6 mit der Luft 7 vermischt.
Das so entstandene Brennstoff-Luft-Gemisch strömt sodann in das Strahlrohr 8 ein. Das Strahlrohr 8 umfasst einen
Strömungskörper 10 und einen als Diffusor ausgestalteten Bereich 12. Der Strömungskörper 10 weist eine ovale Form mit einer Symmetrieachse auf, um die das Oval rotationssymmetrisch ist. Er ist im Bereich der Mittelachse 4 angeordnet und mittels einer Strebe 13 an dem Strahlrohr 8 befestigt. Die Symmetrieachse des Ovals fällt mit der Mittelachse 4 des Strahlrohres 8 zusammen. Weiterhin umfasst der Strömungskörper 10 einen der BrennstoffZuführung 5 zugewandten stumpfen Bereich 15 und einen dem Brennerausgang 2 zugewandten spitz zulaufenden Bereich 14. Der stumpfe Bereich 15 des Strömungskörpers 10 führt zu einer Verringerung des Strömungsquerschnitts in Strömungsrichtung des durch das Strahlrohr 8 strömenden Fluids. Der spitze Bereich 14 des Strömungskörpers führt dagegen zu einer Vergrößerung des Strömungsquerschnittes, der dem strömenden Fluid zur Verfügung steht. In dem Brennerausgang 2 zugewandten spitz zulaufenden Bereich 14 umfasst der Strömungskörper 10 Öffnungen, durch die Sekundärluft und/oder Brennstoff in den zum Brennerausgang 2 hinführenden Bereich des Strahlrohres 8 eingeblasen wird beziehungsweise eingeblasen werden kann. Dies ist durch Pfeile 17 in der Figur 3 dargestellt.
Das Strahlrohr 8 ist in einem Bereich 12, welcher sich vom Strömungskörper bis zum Brennerausgang 2 erstreckt, mit einem sich zum Brennerausgang 2 hin vergrößernden Querschnitt und somit als Diffusor 12 ausgestaltet. In diesem Bereich umfasst das Strahlrohr 8 beziehungsweise der Diffusor Öffnungen, durch die Sekundärluft und/oder Brennstoff in den zum Brennerausgang 2 hinführenden Bereich des Strahlrohres 8 eingeblasen wird beziehungsweise eingeblasen werden kann. Dies ist durch Pfeile 16 in der Figur 3 dargestellt.
Die Strömungsrichtung des in der Gemischbildungszone 3 erzeugten Brennstoff-Luft-Gemisches in dem Strahlrohr 8 ist durch die Bezugsziffer 11 gekennzeichnet. Das Brennstoff- Luft-Gemisch umströmt den Strömungskörper 10 und wird dabei zunächst beschleunigt. Dieser Bereich ist als Beschleunigungszone 9 in der Figur 3 gekennzeichnet. Anschließend durchströmt das Brennstoff-Luft-Gemisch den als Diffusor 12 ausgestalteten Bereich des Strahlrohres 8, wobei sich der Druck des Brennstoff-Luft-Gemisches erhöht. Durch das Einblasen von Sekundärluft 16, 17 in das Strahlrohr 8 in den dem Brennerausgang 2 zugewandten Bereich des Strömungskörpers 10 beziehungsweise in den als Diffusor ausgestalteten Bereich 12 wird eine zumindest teilweise Absorption der Schallwellen erreicht, die sich von der Brennkammer ausgehend in Richtung Brenner bewegen.
Die Figur 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße BrennstoffZuführung 5a, die sich von der in der Figur 3 dargestellten BrennstoffZuführung 5 dadurch unterscheidet, dass sie einen Strömungskörper 29 umfasst. Der Strömungskörper 29, der in seiner Form dem Strömungskörper 10 im Strahlrohr 8 entsprechen kann, ist im Inneren der BrennstoffZuführung 5a im Bereich der Mittelachse 19 der BrennstoffZuführung 5a angeordnet. Der Strömungskörper 29 ist mit Hilfe einer Strebe 32 an der BrennstoffZuführung 5a befestigt.
Der Brennstoff 6 umströmt den Strömungskörper 29. Dabei wird der Brennstoff 6 zunächst in einer durch einen in Strömungsrichtung abnehmenden Strömungsquerschnitt gekennzeichnete Brennstoffbeschleunigungszone 30 beschleunigt. Anschließend wird der Druck des Brennstoffes 6 in einer durch einen in Strömungsrichtung zunehmenden Strömungsquerschnitt gekennzeichnete Zone 31 der BrennstoffZuführung 5a erhöht. Auf diese Weise werden eventuelle Durchflussschwankungen in der BrennstoffZuführung 5a reduziert.
Die Figur 5 zeigt schematisch eine alternative erfindungsgemäße BrennstoffZuführung 5b, die sich von der in der Figur 3 dargestellten BrennstoffZuführung 5 dadurch unterscheidet, dass sie einen als Venturidüse mit einem sich verjüngenden Querschnitt ausgestalteten Bereich 33 umfasst. Dieser Bereich wirkt als Brennstoffbeschleunigungszone 30. An diesen Bereich schließt sich in Richtung zum Ausgang 18 der BrennstoffZuführung 5b ein Bereich 31 an, in welchem sich der Querschnitt der BrennstoffZuführung 5b vergrößert. Beim Durchströmen dieses Bereiches 31 wird der Druck des Brennstoffes 6 erhöht. Auf diese Weise werden eventuelle Durchflussschwankungen in der BrennstoffZuführung 5b reduziert.
Im Ergebnis wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Brenners 1 beziehungsweise im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Brenners 1 durchführen lässt, eine Reduzierung von selbstinduzierten Flammenschwingungen dadurch erreicht, dass das in der Gemischbildungszone 3 erzeugte Brennstoff-Luft-Gemisch zunächst in einer Beschleunigungszone 9 beschleunigt wird. Anschließend wird der infolge der Beschleunigung gesunkene Druck des Brennstoff-Luft-Gemisches mit Hilfe eines Diffusors 12 wieder erhöht.

Claims

Patentansprüche
1. Brenner (1), der eine Gemischbildungszone (3) zur
Ausbildung eines Brennstoff-Luft-Gemisches (11) und einen Brennerausgang (2) umfasst, wobei zwischen der
Gemischbildungszone (3) und dem Brennerausgang (2) eine
Beschleunigungszone (9) zur Erhöhung der Geschwindigkeit des
Brennstoff-Luft-Gemisches (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungszone (9) mindestens einen Strömungskörper
(10) umfasst, wobei die Beschleunigungszone (9) in einem Strahlrohr (8) angeordnet ist, wobei das Strahlrohr (8) in einem Bereich (12), welcher sich vom Strömungskörper (10) bis zum Brennerausgang (2) erstreckt, als Diffusor (12) ausgestaltet ist, so dass in jedem Betriebspunkt eine ablösefreie Strömung im
Diffusor (12) gewährleistet ist.
2. Brenner (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlrohr (8) eine Mittelachse (4) umfasst und der
Strömungskörper (10) im Bereich der Mittelachse (4) angeordnet ist.
3. Brenner (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (10) mittels mindestens einer Strebe (13) mit dem Strahlrohr (8) verbunden ist.
4. Brenner (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (10) einen dem Brennerausgang (2) zugewandten Bereich (14) umfasst und der Strömungskörper (10) in dem dem Brennerausgang (2) zugewandten Bereich (14) mindestens eine Öffnung zum Einblasen von Luft (17) und/oder Brennstoff in das Strahlrohr (8) umfasst und/oder das Strahlrohr (8) eine Mittelachse (4) und mindestens eine Öffnung zum Einblasen von Luft (16) und/oder Brennstoff in das Strahlrohr (8) umfasst, wobei die Öffnung im Strahlrohr (8) in einem axialen Bereich bezüglich der Mittelachse (4) angeordnet ist, welcher der Position des dem Brennerausgang (2) zugewandten Bereich (14) des Strömungskörpers (10) entspricht .
5. Gasturbine, die eine Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst.
6. Verfahren zur Verringerung von selbstinduzierten Flammenschwingungen in einem Brenner (1), welcher eine Gemischbildungszone (3) , in der ein Brennstoff-Luft-Gemisch ausgebildet wird, einen Brennerausgang (2) und eine zwischen der Gemischbildungszone (3) und dem Brennerausgang (2) angeordnete Beschleunigungszone (9) zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoff-Luft-Gemisch in der Beschleunigungszone (9) an einem Strömungskörper (10) vorbeigeleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches beim Vorbeileiten an dem Strömungskörper (10) auf einen Wert zwischen 0,35 Ma und 0,45 Ma erhöht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erhöhung der Geschwindigkeit des Brennstoff-Luft- Gemisches der Druck des Brennstoff-Luft-Gemisches erhöht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungszone (9) als Strahlrohr ausgestaltet ist und der Strömungskörper (10) einen dem Brennerausgang (2) zugewandten Bereich (14) umfasst und in dem dem Brennerausgang (2) zugewandten Bereich (14) des Strömungskörpers (10) Luft (16, 17) in das Strahlrohr eingeblasen wird.
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