WO2019020350A1 - Gasturbinenbrenner mit vorgemischten strahlflammen - Google Patents

Gasturbinenbrenner mit vorgemischten strahlflammen Download PDF

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WO2019020350A1
WO2019020350A1 PCT/EP2018/068477 EP2018068477W WO2019020350A1 WO 2019020350 A1 WO2019020350 A1 WO 2019020350A1 EP 2018068477 W EP2018068477 W EP 2018068477W WO 2019020350 A1 WO2019020350 A1 WO 2019020350A1
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burner
mixing tubes
ring
ring manifold
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Christian Beck
Stefan Dederichs
Christopher Grandt
Michael Huth
Bertram Janus
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion

Definitions

  • Nitrogen oxides (NOx) emissions from gas turbines are decisively influenced by the correct interpretation of the technical Verbrennungssys ⁇ tems (combustion chamber) affected.
  • combustion temperature, combustion chamber pressure and fresh gas mass flow emissions can be influenced by a targeted geometric design.
  • the residence time of the burned gas in the combustion chamber - as an influence parameter on the NOx emissions - can be reduced by a reduction of the combustion chamber volume, but is limited by the necessity ⁇ speed of a complete burnout.
  • EP 0 851 990 B1 discloses For example, a burner for a gas turbine with an annular gap for guiding a stream of oxygen
  • the premixing section has vanes that impart a twist to the flow.
  • the fuel is injected by the blades normal to the blade surfaces. Furthermore, there is the possibility that the fuel is injected transversely to the flow in front of or behind the swirl lattice ("jet in crossflow").
  • premix lines may also have turbulators to improve the premix.
  • Fuel is injected via premix tubes upstream lances normal to the flow direction. Again, the mixture of fuel and air can be improved by the use of Wirbelgenerato ⁇ ren.
  • the object of the invention is to provide a burner compact design, which allows an improved fuel-air pre-mixture.
  • the invention solves the addressed to a burner object by seeing a burner for an internal combustion engine before ⁇ , the upstream multiple parallel zuei ⁇ Nander on concentric rings arranged mixing tubes with air inlets and the air inlets to the rings concentric firing comprises material ring manifold with fuel ports , wherein between adjacent fuel ring manifolds each an annular gap is formed, which is cursed with a ring of mixing tubes tet, wherein the fuel openings of the fuel ring distributors lead into the annular gap.
  • each mixing tube is assigned at least one fuel opening, so that the fuel-air mixture formed by the mixing of the fuel can further mix in the mixing tubes.
  • the fuel openings of a fuel ring distributor are arranged on a single radius, so that fuel of a fuel ring distributor can only be injected into an annular gap.
  • the fuel openings of a fuel ring distributor are arranged on two radii, ie radially outward on the fuel ring. divider and radially inward, so that fuel of a fuel ⁇ ring distributor can be injected into two annular gaps. This allows the injection of fuel into the annular gap from both sides, from the inside and the outside, and can also lead to a better mixing of fuel and air.
  • a fuel ring manifold is divided into two, with a radially outer and an adjacent radially inner chamber.
  • This embodiment is the most elaborate, but allows Ver ⁇ compound of the advantages of both above-mentioned embodiments.
  • Cross-sectional area corresponds in an annular gap formed by the fuel ring manifold of the sum of the cross-sectional areas of downstream mixing tubes to 20% deviation.
  • a substantially constant cross-section along the flow path avoids undesirable accelerations or decelerations of the flowing fluid.
  • a flow guide of the combustion air or the fuel-air mixture can be achieved —79 lands between the mixing tubes in the field of air inlets are arranged.
  • the mixing tubes extend axially through an annulus defined between a tubular outer wall and a tubular inner wall spaced radially from the outer wall, with a pilot burner disposed within the tubular inner wall to provide stable combustion To ensure a wide operating range, especially at idle and part load range.
  • the pilot burner is a central swirl pilot.
  • FIG. 1 shows a section through a burner according to the invention
  • 2 shows a section through the fuel ring manifolds and the mixing tubes
  • Figure 3 is a detail view of the mixing tubes with vorgelager ⁇ th, cut fuel ring manifolds and
  • Figure 4 shows a section through the fuel ring manifold
  • FIG. 1 shows schematically and by way of example a burner 1 according to the invention, in particular a jet burner.
  • a burner 1 according to the invention, in particular a jet burner.
  • it comprises mixing tubes 2 arranged parallel to one another on four concentric rings.
  • the number of rings is not fixed at four. Fewer rings, but also more, for example, up to 20 rings, are also conceivable.
  • the number of mixing tubes 2 is in the size North ⁇ voltage between 20 and 1600. Their diameter is between 5 and 50 mm.
  • the choice of a comparatively large ratio between premix length and diameter of the mixing tubes 2 is essential with regard to good fuel-air mixing.
  • the ratio of length to diameter of the mixing tubes 2 of the burner 1 according to the invention It ⁇ is at least between 2 and 50, more preferably 5 to 20
  • the mixing tubes 2 extend axially through an annular space 15 which is defined between a tubular outer wall 16 and a tubular inner wall 17 arranged at a distance radially from the outer wall.
  • a pilot burner 18 is disposed in ⁇ nergur of the tubular inner wall 17th
  • the mixing tubes 2 are preceded by concentric fuel ring manifolds 4 with fuel openings 5 at their air inlets 3 to the rings. Between adjacent fuel ring manifolds 4 is ever an annular gap 6 is formed, which is aligned with a ring of mixing tubes 2.
  • annular gap 6 is formed, which is aligned with a ring of mixing tubes 2.
  • Figure 2 shows a section through the fuel ring manifolds 4 and mixing tubes 2.
  • the fuel openings 5 are arranged so that they are oriented towards the annular gap 6 out.
  • At least one fuel opening 5 is assigned to each mixing tube 2. (The fuel injection is shown at least in part by arrows.)
  • FIG. 2 shows different variants of fuel manifolds ⁇ ring 4, not all need to be realized Siert in a burner. 1
  • FIG. 2 shows a variant of fuel ring manifolds 4, in which the fuel openings 5 are arranged on a single radius so that fuel of a fuel ring manifold 4 can only be injected into an annular gap 6.
  • the fuel openings 5 are arranged on two radii, so that fuel of a fuel ⁇ ring ring distributor 4 can be injected into two annular gaps 6.
  • Figure 2 shows a variant in which a fuel ring manifold 4 is divided into two, with a radially outer 7 and an adjacent radially inner chamber 8.
  • a fuel ring manifold 4 is divided into two, with a radially outer 7 and an adjacent radially inner chamber 8.
  • different fuel gradations can be realized by different fuel ring manifolds 4 to two or can be summarized in several groups, which can be supplied with fuel independently of each other via separate supply lines, so that with each group different ⁇ fuel-air mixture concentrations can be produced.
  • the supply of various fuels such as gas, hydrogen, higher hydrocarbons, oil or
  • Oil / water emulsions are possible.
  • Corresponding fuel dispensers 23 are shown in Figures 3 and 4 in a plan view of the mixing tubes 2 and in a De ⁇ tailansicht the mixing tubes 2 with upstream, practiceschnit ⁇ requested annular fuel manifolds. 4
  • the figure 3 is further inferred that the minimum cross-sectional area 9 in a space formed by the annular fuel distributor 4 the annular gap 6 is approximately the sum of the Quer4.000flä ⁇ surfaces 10 of the air intakes 3 downstream mixing tubes 2 ent ⁇ speaks (this is the basis of a segment of a mixing tube 2 indicated). Deviations of up to about 20% are acceptable in order to obtain a reasonably directed flow through annular gap 6 and air inlets 3 of the mixing tubes 2. For this purpose, it is also important that a transition between annular gap 6 and downstream mixing tubes 2 takes place continuously. This is achieved in that webs 11 for conducting air and
  • Fuel between the mixing tubes 2 in the region of the air inlets 3 are arranged.
  • thermoelectric voltages With regard to thermoelectric voltages and optimal
  • Fuel injection should have a cross-section 12 of a fuel distributor 4 carbon ring or a chamber 7, 8 at least three times ⁇ be chosen as large as the sum of the
  • FIG. 4 shows finally vortex generator 19, which are arranged in the annular gaps 6 to further improve the mixing of fuel and air in the immediate vicinity of the fuel ⁇ openings 5.
  • Such mixture-demanding elements are, for example, pyramid-shaped and mounted on the wall surrounding the fuel openings 5.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner (1) für eine Verbrennungsmaschine, umfassend mehrere auf konzentrischen Ringen zueinander parallel angeordnete Mischrohre (2) mit Lufteinlässen (3) und den Lufteinlässen (3) vorgelagerte zu den Ringen konzentrische Brennstoffringverteiler (4) mit Brennstofföffnungen (5), wobei zwischen benachbarten Brennstoffringverteilern (4) je ein Ringspalt (6) gebildet ist, der mit einem Ring aus Mischrohren (2) fluchtet, wobei Brennstofföffnungen (5) der Brennstoffringverteiler (4) in den Ringspalt (6) münden.

Description

Beschreibung
GASTURBINENBRENNER MIT VORGEMISCHTEN STRAHLFLAMMEN
Stickoxidemissionen (NOx) von Gasturbinen werden entscheidend durch die richtige Auslegung des technischen Verbrennungssys¬ tems (Brennkammer) beeinflusst. Neben den Betriebsparametern Verbrennungstemperatur, Brennkammerdruck und Frischgasmassen- strom lassen sich die Emissionen durch eine gezielte geometrische Auslegung beeinflussen. Die Aufenthaltsdauer des verbrannten Gases in der Brennkammer - als Einflussparameter auf die NOx-Emissionen - lässt sich durch eine Verkleinerung des Brennkammervolumens verringern, ist aber durch die Notwendig¬ keit eines vollständigen Ausbrands begrenzt.
Bei vorgegebenen Betriebsparametern und gegebenem Brennkammervolumen bleibt nur die Möglichkeit, die NOx-Emissionen durch eine Verbesserung der Brennstoff-Luft Vormischung zu beeinflussen. Die Herausforderung bei der Auslegung einer entsprechenden Vormischstrecke kann neben einem vorgegebenen maximalen Druckverlust die Begrenzung der Länge der Vormischstrecke sein. Folglich ist eine möglichst schnelle Vormi¬ schung bei möglichst geringem Druckverlust gefordert.
Eine etablierte Methode zur Sicherstellung von guter Brennstoff-Luft Vormischung in Vormischpassagen ist die Wahl eines großen Verhältnisses zwischen Vormischlänge und charakteris¬ tischem Durchmesser der Passagen. Bei gegebener Vormischlänge kann dieses Verhältnis durch Verkleinerung des Passagendurchmessers vergrößert werden. Dadurch wird aber typischerweise die Anzahl der Trennwände zunehmen, was zu dem Problem führt, dass für die BrennstoffZuführung weniger Bauraum zur Verfügung steht. Weiterhin führen kleiner werdende Abmessungen zu größeren Anforderungen an die Toleranzen.
Für die Verbesserung der Brennstoff-Luft Vormischung sind verschiedene Konzepte bekannt. Die EP 0 851 990 Bl offenbart beispielsweise einen Brenner für eine Gasturbine mit einem Ringspalt zur Führung eines Stromes eines Sauerstoff
enthaltenden Gases mit einer Vielzahl von in dem Ringspalt angeordneten Düsen zur Zuführung eines Brennstoffes zu dem Strom sowie einem in dem Ringspalt angeordneten Drallgitter. D. h., die Vormischstrecke weist Leitschaufeln auf, die der Strömung einen Drall aufprägen. Gleichzeitig wird durch die Schaufeln der Brennstoff normal zu den Schaufeloberflächen eingedüst. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass der Brenn- Stoff vor oder hinter dem Drallgitter quer zur Strömung eingedüst wird („Jet in Crossflow") .
Es sind aber auch Lösungen mit einer drallfreien Vormischstrecke bekannt, bei denen die Brennstoffeindüsung über eine Lanze in der Mitte des Vormischkanals erfolgt. Diese Vor- mischstrecken können auch Turbulatoren zur Verbesserung der Vormischung aufweisen.
Ein weiteres Konzept zur Eindüsung von Brennstoff ist bei- spielsweise in der DE 10 2013 213 860 AI offenbart, bei der
Brennstoff über Vormischröhren vorgelagerte Lanzen normal zur Strömungsrichtung eingedüst wird. Auch hier kann die Mischung von Brennstoff und Luft durch den Einsatz von Wirbelgenerato¬ ren verbessert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner kompakter Bauform bereitzustellen, der eine verbesserte Brennstoff-Luft-Vor- mischung ermöglicht. Die Erfindung löst die auf einen Brenner gerichtete Aufgabe, indem sie einen Brenner für eine Verbrennungsmaschine vor¬ sieht, der mehrere auf konzentrischen Ringen parallel zuei¬ nander angeordnete Mischrohre mit Lufteinlässen und den Luft- einlässen vorgelagerte zu den Ringen konzentrische Brenn- Stoffringverteiler mit BrennstoffÖffnungen umfasst, wobei zwischen benachbarten Brennstoffringverteilern je ein Ringspalt gebildet ist, der mit einem Ring aus Mischrohren fluch- tet, wobei die BrennstoffÖffnungen der Brennstoffringvertei- ler in den Ringspalt münden.
Das Problem der kleinen Abmessungen und des begrenzten Bau- raums wird gemäß der Erfindung durch umlaufende Ringkanäle gelöst, bei denen die BrennstoffÖffnungen so angeordnet sind, dass sie zum Ringspalt hin orientiert sind, so dass im Be¬ trieb des Brenners eine senkrechte Eindüsung des Brennstoffs in die durch den Ringspalt strömende Luft am einfachsten um- setzbar ist, wodurch eine optimale Durchmischung von Brennstoff und Luft begünstigt ist. Ferner ist die vorgeschlagene Lösung im Hinblick auf Thermospannungen im Bereich der
Brennstoffeindüsung günstiger als bekannte Konzepte. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die BrennstoffÖffnungen so an¬ geordnet sind, dass sie zum Ringspalt hin orientiert sind, so dass im Betrieb des Brenners eine senkrechte Eindüsung des Brennstoffs in die durch den Ringspalt strömende Luft am ein¬ fachsten umsetzbar ist, wodurch eine optimale Durchmischung von Brennstoff und Luft begünstigt ist.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn jedem Mischrohr mindestens eine BrennstoffÖffnung zugeordnet ist, so dass das durch das Einmischen des Brennstoffs gebildete Brennstoff-Luft-Gemisch sich in den Mischrohren weiter vermischen kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die BrennstoffÖffnungen eines Brennstoffringverteilers auf einem einzigen Radius angeordnet, so dass Brennstoff eines Brenn- stoffringverteilers lediglich in einen Ringspalt eingedüst werden kann. Eine solche Variante ist bei Teillast oder auch beim Einsatz verschiedener Brennstoffe interessant, um nur einen Teil der Mischrohre des Brenners mit Brennstoff bzw. einer Brennstoffart beaufschlagen zu können.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die BrennstoffÖffnungen eines Brennstoffringverteilers auf zwei Radien angeordnet, d.h., radial außen am Brennstoffringver- teiler und radial innen, so dass Brennstoff eines Brennstoff¬ ringverteilers in zwei Ringspalte eingedüst werden kann. Dies ermöglicht die Eindüsung von Brennstoff in den Ringspalt von zwei Seiten, von innen und von außen und kann ebenfalls zu einer besseren Vermischung von Brennstoff und Luft führen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Brennstoffringverteiler zweigeteilt, mit einer radial äußeren und einer benachbarten radial inneren Kammer. Diese Ausführungsform ist die aufwändigste, erlaubt aber die Ver¬ bindung der Vorteile beider vorgenannten Ausführungsformen.
Im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Strömung des Brennstoff-Luft-Gemischs ist es vorteilhaft, wenn eine
Querschnittsfläche in einem durch die Brennstoffringverteiler gebildeten Ringspalt der Summe der Querschnittflächen nachgeordneter Mischrohre bis auf 20% Abweichung entspricht. Ein entlang des Strömungspfads im Wesentlichen konstanter Querschnitt vermeidet unerwünschte Beschleunigungen oder Verlang- samungen des strömenden Fluids.
In diesem Zusammenhang ist es weiterhin vorteilhaft, wenn ein Übergang zwischen Ringspalt und nachgeordneten Mischrohren kontinuierlich erfolgt. Eine Strömungsführung der Verbren- nungsluft bzw. des Brennstoff-Luft-Gemisches kann zweckmäßi¬ gerweise dadurch erreicht werden, dass Stege zwischen den Mischrohren im Bereich der Lufteinlässe angeordnet sind.
Staupunkte und Rezirkulationszonen am Übergang zu den Mischrohren werden dadurch vermieden.
Im Hinblick auf das Betreiben des Brenners in Teillast ist es vorteilhaft, wenn die Brennstoffringverteiler unabhängig voneinander mit Brennstoff beaufschlagbar sind. Eine Verringe¬ rung der Brennstoffzufuhr zu allen Mischrohren des Brenners würde ab einem bestimmten Punkt zu ungünstigen Betriebs- ins¬ besondere Druckverhältnissen im Brenner führen. Besser ist es, den Brenner teilweise abzuschalten, d.h. einzelne Ringe von Mischrohren vollständig abzuschalten und die übrigen Rin- ge von Mischrohren mit optimalen Betriebsparametern weiter zu betreiben .
Um nicht jeden Brennstoffringverteiler einzeln betreiben zu müssen, können aber auch Gruppen von Brennstoffringverteilen gebildet werden, d.h. die Brennstoffringverteiler werden zu Brennerstufen zusammengefasst . Eine verbesserte Teillastfä¬ higkeit ist immer noch gewährt. Es ist vorteilhaft, wenn ein Querschnitt eines Brennstoff¬ ringverteilers oder einer Kammer mindestens dreimal so groß ist, wie die Summe der Durchtrittsflächen der BrennstoffÖff¬ nungen des Brennstoffringverteilers oder der Kammer. Dies be¬ wirkt einerseits, dass der Brennstoff im Brennstoffringver- teiler oder in der Kammer vergleichsweise langsam strömt und dabei aufgewärmt wird und andererseits dass der Brennstoff im Bereich der BrennstoffÖffnungen eine Beschleunigung erfährt und so ausreichend tief in die an der BrennstoffÖffnung vorbei strömende Luft eindringen kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die Mischrohre axial durch einen Ringraum, der zwischen einer rohrförmigen Außenwand und einer radial von der Außenwand beabstandet angeordneten rohrförmigen Innenwand de- finiert ist, wobei ein Pilotbrenner innerhalb der rohrförmigen Innenwand angeordnet ist, um eine stabile Verbrennung über einen weiten Betriebsbereich, insbesondere im Leerlauf und Teillastbereich sicherzustellen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Pilotbrenner ein zentraler Drallpilot ist.
Im Hinblick auf eine gute Durchmischung von Brennstoff und Luft ist es vorteilhaft, wenn Wirbelerzeuger in den Ringspal¬ ten angeordnet sind. Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
Figur 1 einen Schnitt durch einen Brenner nach der Erfindung, Figur 2 einen Schnitt durch die Brennstoffringverteiler und die Mischröhren, Figur 3 eine Detailansicht auf die Mischrohre mit vorgelager¬ ten, aufgeschnittenen Brennstoffringverteilern und
Figur 4 einen Schnitt durch die Brennstoffringverteiler mit
Wirbelerzeugern .
Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft einen Brenner 1 gemäß der Erfindung, insbesondere einen Strahlbrenner. Er umfasst im Beispiel der Figur 1 auf vier konzentrischen Ringen zueinander parallel angeordnete Mischrohre 2. Die Anzahl der Ringe ist nicht auf vier festgelegt. Weniger Ringe, aber auch mehr, beispielsweise bis zu 20 Ringe, sind ebenfalls denkbar. Die Anzahl der Mischrohre 2 liegt in der Größenord¬ nung zwischen 20 und 1600. Ihr Durchmesser liegt zwischen 5 und 50 mm. Wie eingangs ausgeführt, ist die Wahl eines ver- gleichsweise großen Verhältnisses zwischen Vormischlänge und Durchmesser der Mischrohre 2 wesentlich im Hinblick auf eine gute Brennstoff-Luft-Durchmischung . Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Mischrohre 2 des Brenners 1 gemäß der Er¬ findung liegt mindestens zwischen 2 und 50, besser zwischen 5 und 20.
Die Mischrohre 2 erstrecken sich axial durch einen Ringraum 15, der zwischen einer rohrförmigen Außenwand 16 und einer radial von der Außenwand beabstandet angeordneten rohrförmi- gen Innenwand 17 definiert ist. Ein Pilotbrenner 18 ist in¬ nerhalb der rohrförmigen Innenwand 17 angeordnet.
Den Mischrohren 2 sind an ihren Lufteinlässen 3 zu den Ringen konzentrische Brennstoffringverteiler 4 mit Brennstofföffnun- gen 5 vorgelagert. Zwischen benachbarten Brennstoffringverteilern 4 ist je ein Ringspalt 6 gebildet, der mit einem Ring aus Mischrohren 2 fluchtet. Im Betrieb des Brenners 1 strömt Verdichterendluft in der Figur 1 von rechts nach links am Brennkammerliner 20 entlang und wird an einer Endplatte 21 umgelenkt, um durch die Ringspalte 6 in die Mischrohre 2 und schließlich gut mit Brennstoff vermischt in die Brennkammer 22 selbst einzuströmen.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch die Brennstoffringverteiler 4 und Mischröhren 2. Die BrennstoffÖffnungen 5 sind so angeordnet, dass sie zum Ringspalt 6 hin orientiert sind. Dabei ist jedem Mischrohr 2 mindestens eine BrennstoffÖffnung 5 zu- geordnet. (Die Brennstoffeindüsung ist zumindest zum Teil durch Pfeile dargestellt.)
Figur 2 zeigt dabei verschiedene Varianten von Brennstoff¬ ringverteilern 4, die nicht alle in einem Brenner 1 reali- siert werden müssen. Beispielsweise zeigt Figur 2 eine Vari¬ ante von Brennstoffringverteilern 4, bei der die Brennstofföffnungen 5 auf einem einzigen Radius angeordnet sind, so dass Brennstoff eines Brennstoffringverteilers 4 lediglich in einen Ringspalt 6 eingedüst werden kann.
Bei einer weiteren Variante sind die BrennstoffÖffnungen 5 auf zwei Radien angeordnet, so dass Brennstoff eines Brenn¬ stoffringverteilers 4 in zwei Ringspalte 6 eingedüst werden kann .
Schließlich zeigt die Figur 2 eine Variante, bei der ein Brennstoffringverteiler 4 zweigeteilt ist, mit einer radial äußeren 7 und einer benachbarten radial inneren Kammer 8. Je nach Ausführungsform der umlaufenden Brennstoffringverteiler 4 können also verschiedene Brennstoffstufungen realisiert werden, indem verschiedene Brennstoffringverteiler 4 zu zwei oder mehreren Gruppen zusammengefasst werden, die über getrennte Zufuhrleitungen unabhängig voneinander mit Brennstoff versorgt werden können, sodass mit jeder Gruppe unterschied¬ liche Brennstoff-Luft-Gemisch-Konzentrationen erzeugt werden können. Auch die Zufuhr verschiedener Brennstoffe, wie Erd- gas, Wasserstoff, höhere Kohlenwasserstoffe, Öl oder
Öl/Wasser-Emulsionen ist so möglich.
Entsprechende Brennstoffzufuhren 23 sind in den Figuren 3 und 4 in einer Draufsicht auf die Mischrohre 2 bzw. in einer De¬ tailansicht der Mischrohre 2 mit vorgelagerten, aufgeschnit¬ tenen Brennstoffringverteilern 4 gezeigt.
Der Figur 3 ist ferner entnehmbar, dass die minimale Quer- schnittsfläche 9 in einem durch die Brennstoffringverteiler 4 gebildeten Ringspalt 6 ungefähr der Summe der Querschnittflä¬ chen 10 der Lufteinlässe 3 nachgeordneter Mischrohre 2 ent¬ spricht (dies ist anhand eines Segments für ein Mischrohr 2 angedeutet) . Abweichungen bis zu etwa 20% sind akzeptierbar, um eine einigermaßen gerichtete Strömung durch Ringspalt 6 und Lufteinlässe 3 der Mischrohre 2 zu erhalten. Hierzu ist ebenfalls wichtig, dass ein Übergang zwischen Ringspalt 6 und nachgeordneten Mischrohren 2 kontinuierlich erfolgt. Das wird dadurch erreicht, dass Stege 11 zum Leiten von Luft und
Brennstoff zwischen den Mischrohren 2 im Bereich der Lufteinlässe 3 angeordnet sind.
Im Hinblick auf Thermospannungen und eine optimale
Brennstoffeindüsung sollte ein Querschnitt 12 eines Brenn- Stoffringverteilers 4 oder einer Kammer 7, 8 mindestens drei¬ mal so groß gewählt werden, wie die Summe der
Durchtrittsflächen 13 der BrennstoffÖffnungen 5 des Brennstoffringverteilers 4 oder der Kammer 7, 8. Figur 4 zeigt schließlich Wirbelerzeuger 19, die in den Ringspalten 6 zur weiteren Verbesserung der Durchmischung von Brennstoff und Luft in unmittelbarer Nähe zu den Brennstoff¬ öffnungen 5 angeordnet sind. Solche mischungsfordernden Elemente sind beispielsweise pyramidenförmig ausgebildet und auf der die BrennstoffÖffnungen 5 umgebenden Wand befestigt.

Claims

Brenner (1) für eine Verbrennungsmaschine, umfassend meh¬ rere auf konzentrischen Ringen zueinander parallel angeordnete Mischrohre
(2) mit Lufteinlässen (3) und den Lufteinlässen
(3) vorgelagerte zu den Ringen konzentrische Brennstoffringverteiler
(4) mit BrennstoffÖffnungen
(5) , wobei zwischen benachbarten Brennstoffringverteilern (4) je ein Ringspalt (6) gebildet ist, der mit einem Ring aus Mischrohren (2) fluchtet, wobei die BrennstoffÖffnungen (5) der Brennstoffringverteiler (4) in den Ringspalt
(6) münden.
Brenner (1) nach Anspruch 1, wobei jedem Mischrohr (2) mindestens eine BrennstoffÖffnung (5) zugeordnet ist.
Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die BrennstoffÖffnungen (5) eines Brennstoffringverteilers (4) auf einem einzigen Radius angeordnet sind, so dass Brennstoff eines Brennstoffringverteilers (4) le¬ diglich in einen Ringspalt (6) eingedüst werden kann.
Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die BrennstoffÖffnungen (5) eines Brennstoffringverteilers (4) auf zwei Radien angeordnet sind, so dass Brennstoff eines Brennstoffringverteilers (4) in zwei Ringspalte (6) eingedüst werden kann.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 2, oder 4, wobei ein Brennstoffringverteiler (4) zweigeteilt ist, mit einer radial äußeren (7) und einer benachbarten radial inneren Kammer (8) .
Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine minimale Querschnittsfläche (9) in einem durch die Brennstoffringverteiler (4) gebildeten Ringspalt (6) der Summe der Querschnittflächen (10) der Lufteinlässe (3) nachgeordneter Mischrohre (2) bis auf 20% Abweichung entspricht .
7. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Übergang zwischen Ringspalt (6) und nachgeordne¬ ten Mischrohren (2) kontinuierlich erfolgt.
8. Brenner (1) nach Anspruch 7, wobei für einen kontinuierlichen Übergang Stege (9) zum Leiten von Luft und Brennstoff zwischen den Mischrohren (2) im Bereich der Luft- einlässe (3) angeordnet sind.
9. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffringverteiler (4) unabhängig voneinander mit Brennstoff beaufschlagbar sind.
10. Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei
Brennstoffringverteiler (4) zu Brennerstufen zusammenge- fasst sind.
11. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Querschnitt (12) eines Brennstoffringverteilers
(4) oder einer Kammer (7, 8) mindestens dreimal so groß ist wie die Summe der Durchtrittsflächen (13) der BrennstoffÖffnungen (5) des Brennstoffringverteilers (4) oder der Kammer (7, 8) .
12. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Mischrohre (2) axial durch einen Ringraum (15) erstrecken, der zwischen einer rohrförmigen Außenwand (16) und einer radial von der Außenwand beabstandet angeordneten rohrförmigen Innenwand (17) definiert ist und ein Pilotbrenner (18) innerhalb der rohrförmigen Innenwand (17) angeordnet ist.
13. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Wirbelerzeuger (19) in den Ringspalten (6) angeordnet sind .
PCT/EP2018/068477 2017-07-27 2018-07-09 Gasturbinenbrenner mit vorgemischten strahlflammen WO2019020350A1 (de)

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