Brenner

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie beschreibt weiterhin einen Brenner, welcher zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

Stand der Technik

[0002] Aus der EP 0 321 809, aus der EP 0 780 629, aus der WO 9317279, sowie aus der EP 0 945 677 sind Vormischbrenner bekanntgeworden, bei denen ein Verbrennungsluftstrom über einen Drallerzeuger tangential in einen Brennerinnenraum eingebracht und mit Brennstoff vermischt wird am Brenneraustritt platzt die entstehende Wirbelströmung an einem Querschnittssprung auf, wodurch eine Rückströmzone induziert wird, welche im Betrieb des Brenners zur Stabilisierung einer Flamme dient.

[0003] Die axiale Lage der sich einstellenden Rückströmzone ist von entscheidender Bedeutung für die Stabilisierung der Flamme, und wird ihrerseits wesentlich durch die axiale Strömung im Zentrum des Brenner bestimmt. Ist diese axiale Strömung zu schwach, so wandert das Rezirkulationsgebiet und mithin die Flamme ins Brennerinnere. Dabei besteht die Gefahr des Rückzündens der Flamme und sukzessive der Überhitzung des Brenners. Ist umgekehrt die axiale Strömung zu stark, kann die Rückströmzone vom Brenneraustritt ablösen und instabil werden. Die Folge können starke schädliche Verbrennungspulsationen oder gar ein Verlöschen der Flamme sein.

[0004] In der DE 195 27 453 ist ein Brenner für einen Wärmeerzeuger bekannt geworden, welcher eine Variation einer axialen Luftströmung ermöglicht, mittels welcher die Lage der Rückströmenzone der Einfluss war ist. Aus diesem Dokument ist es auch bekannt, die axialen Luftströmung in Abhängigkeit von gemessenen Verbrennungspulsationen einzustellen. Dieses Betriebsverfahren erfordert aber eine potenziell störungsanfällige Messung der Verbrennungspulsationen. Weiterhin kann dieses Betriebsverfahren dazu führen, dass die Flamme zu nahe an den Brenner gelegt wird, so, dass es zu einer Überhitzung des Brenners kommt.

Darstellung der Erfindung

[0005] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Weiterhin soll ein Brenner angegeben werden, welcher zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

[0006] Die Aufgabe wird mit dem in Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren gelöst.

[0007] Kern der Erfindung ist also, den Axialimpuls der Zentralströmung an die thermische Brennerbelastung anzupassen. Dies ermöglicht es, Lage und Intensität der Rückströmzone gezielt zu beeinflussen. In besonders vorteilhafter Weise wird bei geringer Brennerlast die zentral eingebrachte Luftmenge verringert dergestalt, dass die Rückströmzone sich sehr nahe an der Brennermündung oder teilweise sogar noch im Brennerinnenraum ausbildet, woraus eine überlegene Flammenstabilität resultiert. Bei hoher Last und hohen Flammentemperaturen hingegen ist der Flame an sich bereits eine höhere Stabilität inhärent. Hier wird die zentral eingebrachte Luftmenge vergrössert, dergestalt, dass die Rückströmzone zuverlässig eine Strecke stromab der Brennermündung zu liegen kommt. Eine thermische Überlastung des Brenners wird dadurch vermieden.

[0008] Die Erfindung wird bevorzugt unter Verwendung von Vormischbrennern, welche aus dem eingangs zitierten Stand der Technik dem Fachmann als solche wohlbekannt und geläufig sind, ausgeführt. Die Erfindung kann ohne weiteres mit allen in den dort zitierten Schriften offenbarten, und den aus diesen Schriften weitergebildeten, an sich dem Fachmann geläufigen, Drallerzeuger- und Brennerbauarten, kombiniert werden, welche durch die in den Vorrichtungs-Unteransprüchen angegebenen Vorzugsvarianten nur unvollständig reflektiert werden.

[0009] Eine Weiterbildung des erfindungsgemässen Betriebsverfahrens ergibt sich beim vorteilhaften Betrieb in den Brennkammern von Gasturbinen. Hier dient die variable Zentralgeometrie in Verbindung mit den dem Fachmann geläufigen Betriebskonzepten für Gasturbinen mit Vormischbrennern weiterhin dazu, einen schadstoffarmen und gleichzeitig stabilen, pulsationsfreien Betrieb zu gewährleisten. Eine Variation der Bedingungen an einzelnen Brennern kann schliesslich gezielt eingesetzt werden, um akustische Resonanzen in der Brennkammer durch ein Verstimmen einzelner Brenner zu unterbinden.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0010] In Fig. 1 ist ein zur Umsetzung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneter Vormischbrenner dargestellt, wie er an sich aus der EP 0 321 809 bekanntgeworden ist. Der Brenner besteht im wesentlichen aus einem Drallerzeuger 100 für einen Verbrennungsluftstrom, welcher aus zwei kegelförmigen Teilkörpern 101, 102 gebildet ist. In dem in der Fig. 2 dargestellten Querschnitt ist erkennbar, dass die Teilkörper 101 und 102 mit ihren Achsen 101a und 102a gegenüber der Brennerachse 100a wie auch gegenseitig lateral versetzt angeordnet sind. Aufgrund dieses lateralen Versatzes der Teilkörper sind zwischen den Teilkörpern tangentiale Einlassschlitze 121 ausgebildet. Durch die tangentialen Einlassschlitze 121 strömt ein Verbrennungsluftstrom 141 im wesentlichen tangential in den Innenraum 122 des Drallerzeugers ein. Es ist selbstverständlich auch möglich, einen derartigen Drallerzeuger mit einer anderen Anzahl von Teilkörpern auszuführen; in Fig. 3 ist der vollkommen analoge Aufbau mit beispielsweise vier Drallerzeuger-Teilkörpern 101, 102, 103 und 104 dargestellt, mit den gegeneinander versetzten Achsen 101 a, 102a, 103a, 104a der Teilkörper. Wieder mit Bezug auf Figur 1 bildet sich im Inneren des Drallerzeugers in Folge eine Drallströmung 144 aus, deren axiale Strömungskomponente zu einer stromabwärtigen Mündung des Drallerzeugers hin weist. Die Teilkörper 101, 102 grenzen an einem stromabwärtigen Ende des Drallerzeugers an eine Frontplatte 108. Die Frontplatte 108 bildet üblicherweise die Stirnwand eines Brennraumes 50 aus, und ist häufig auf in der Figur nicht dargestellte und auch nicht erfindungswesentliche Weise gekühlt. Der Innenraum 122 des Drallerzeugers weist im wesentlichen die Form eines sich von einem stromaufwärtigen zu einem stromabwärtigen Ende des Drallerzeugers respektive Brenners erweiternden Kegelstumpfes auf. Der so gebildete axiale Strömungsquerschnitt weist an einem stromabwärtigen Ende, an der Mündung in den Brennraum 50, eine sprunghafte Querschnittserweiterung auf. Durch den Querschnittssprung kommt es zum Aufplatzen der Wirbelströmung 144, und zur Ausbildung einer Rückströmzone 123 im Bereich der Brennermündung. Im Drallerzeuger wird der Verbrennungsluftströmung auf geeignete Weise eine Brennstoffmenge zugeführt. Im Ausführungsbeispiel sind in axialer Richtung des Drallerzeugers, im Bereich der tangentialen Einlassschlitze 121, Brennstoffleitungen 111 entlang der Teilkörper angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind Reihen von Brennstoff-Austrittsbohrungen 1111 zu erkennen. Eine Brennstoffmenge 142 wird über die Brennstoffleitungen 111 herangeführt, und strömt über die Brennstoffaustrittsöffnungen 1111 in den Innenraum 122 des Drallerzeugers 100. Diese Art der Brennstoffzumischung findet häufig und bevorzugt mit gasförmigen Brennstoffen Verwendung. Im Innenraum des Drallerzeugers kommt es zu einer intensiven Vermischung der Brennstoffmenge 142 mit der tangential einströmenden Verbrennungsluft 141. Am Austritt aus dem Brenner in den Brennraum 50 liegt in der Drallströmung 144 ein sehr homogenes Gemisch von Luft und Brennstoff vor. Im Bereich der Rückströmzone 123 kann sich eine Flamme aus dem vorgemischten Luft-Brennstoffgemisch stabilisieren. Aufgrund der guten Vormischung von Luft und Brennstoff kann diese Flamme unter Vermeidung stöchiometrischer Zonen mit der Ausbildung von "Hot Spots" mit einem recht hohen Luftüberschuss - in der Regel findet man am Brenner selbst Luftzahlen von zwei und darüber- betrieben werden. Aufgrund dieser vergleichsweise kühlen Verbrennungstemperaturen können mit derartigen Brennern sehr geringe Stickoxidemissionen ohne aufwendige Abgasnachbehandlung erreicht werden. Aufgrund der guten Vormischung des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft und einer guten Flammenstabilisierung durch die Rückströmzone kommt es weiterhin trotz der geringen Verbrennungstemperaturen zu einem guten Ausbrand und damit auch geringen Emissionen an teil- und unverbranntem, insbesondere also Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, aber auch anderen unerwünschten organischen Verbindungen. Weiterhin erweist sich die rein aerodynamische Flammenstabilisierung durch das Aufplatzen der Wirbelströmung 144 ("Vortex Breakdown") als vorteilhaft. Durch den Verzicht auf mechanische Flammenhalter kommen an sich keine mechanischen Bauteile in Berührung mit der Flamme. Das gefürchtete Versagen mechanischer Flammenhalter aufgrund von Überhitzung mit eventuell nachfolgenden schwerwiegenden Havarien von Maschinensätzen ist somit ausgeschlossen. Weiterhin verliert die Flamme ausser durch Strahlung keine Wärme an kalte Wände. Dies trägt zusätzlich zur Vergleichmässigung der Flammentemperatur und somit geringen Schadstoffemissionen und guter Verbrennungsstabilität bei. Ein entscheidender Faktor für das Betriebsverhalten eines solchen Brenners, wie er in der Figur angegeben ist, ist die Lage der Rückströmzone 123. Diese wiederum wird wesentlich durch die Drallzahl, grob gesagt, das Verhältnis der Umfangskomponente zur Axialkomponente der Wirbelströmung 144, bestimmt: Ist die Rotationsgeschwindigkeit der Wirbelströmung 144 gross, so bildet sich eine breite Rückströmzone aus. Unter diesen Bedingungen bildet sich eine robuste, nahe an der Brenneröffung liegende Rückströmzone und damit im Betrieb eine stabile Verbrennungszone aus. Dies sind Bedingungen, wie sie im Interesse einer guten Flammenstabilität bei niedrigen Brennerlasten, also hohen Brennerluftzahlen gewünscht und zur Stabilisierung der mit vergleichsweise niedrigen Temperaturen brennenden Flamme auch notwendig sind. Andererseits bildet sich bei den hohen Drallzahlen der Verbrennungsluftströmung entlang der Brennerachse ein Gebiet niedrigen Druckes aus, welches die Rückströmzone und damit die Flamme gleichsam in das Brennerinnere hineinsaugt. Dies ist aber bei hohen Brennerlasten unerwünscht. Bei Vollast dieses Brenners operiert dieser mit Luftzahlen in einem Bereich von 2, im Extremfall auch noch bei brennstoffreicheren Bedingungen, beispielsweise bei Luftzahlen von 1.7, 1.5, oder gar 1.3, wobei aber in jedem Falle Luftzahlen im Bereich zwischen 2.5 und 2, bevorzugt etwa 2.3, erreicht werden. Die Verbrennungszone weist daher deutlich höhere Temperaturen auf, als im Teillastgebiet, wo Brennerluftzahlen von 3 oder 4 auftreten, und ist an sich wesentlich stabiler. Es wird bei hohen Lasten also keine so ausgeprägte Rückströmzone benötigt. Es besteht im Gegenteil die Gefahr, dass Heissgas aus der Verbrennungszone entlang der Brennerachse in den Brenner hinein eingesaugt wird. Ein solches Rückzünden kann einerseits die Integrität des Brenners, im Extremfall eines ganzen Maschinensatzes, gefährden. Auf der anderen Seite kann sich ein Flip-Flop-Effekt der Flamme zwischen zwei Verbrennungsmoden innerhalb und ausserhalb des Brenners aufschaukeln. Weiterhin ist für eine hohe Last eine räumlich grösser verteilte Verbrennungszone erwünscht. Zusammenfassend wäre also festzustellen, dass hier eine geringere Drallzahl der Wirbelströmung 144 wünschenswert und realisierbar ist, was aber den Betriebsbereich zu kleinen Lasten hin wieder einschränkt. Um die Gefahr des Flammenrückschlages zu verringern, ist es auch bekannt, zentral eine axiale Luftströmung in den Brenner einzubringen, was das Teillastverhalten des Brenners wiederum negativ beeinflusst, da die Rückströmzone von der Brennermündung fortgetrieben wird. Letztlich müssen die konstruktiv vorzugebenden Strömungsparameter der Verbrennungsluftströmung immer einen Kompromiss darstellen, nicht zuletzt auch aufgrund der Tatsache, dass beispielsweise beim Einsatz in Gasturbinen die Zuströmbedingungen der Verbrennungsluft zum Brenner in Bezug auf den Massenstrom, die Temperatur und den Druck stark variieren, so, dass es ohnehin schwierig ist, eine definierte Verbrennungsluftströmung zu schaffen. Auf an sich bekannte Weise wird entlang der Brennerachse, respektive der Drallerzeugerachse 100a eine axiale Zentralströmung 145 ins Zentrum des Brenners eingebracht. Zur Anpassung an die Betriebsbedingungen ist die Zentralströmung variabel ausgeführt. Zentral am kopfseitigen Ende des Brenners, also am stromaufwärtigen Ende, findet sich eine Eindüsungsvorrichtung 112. Die hier dargestellte Eindüsungsvorrichtung besteht aus einem Durchströmkörper 1121. Dieser ist im Ausführungsbeispiel im wesentlichen ein hohlgebohrter Zylinder, mit einer offenen Stirnseite, und einer Stirnseite, die einen Boden 1124 aufweist. Dabei weist der Boden 1124 eine Öffnung 1125 auf, deren Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser der Zylinderbohrung. Der Durchströmkörper 1121 endet mit der offenen Seite stumpf an einem anströmseitigen, das heisst stromaufwärtigen Ende des Brenners oder des Drallerzeugers 100, während der Boden 1124 mit seiner Öffnung zum Inneren 122 des Brenners hin weist. Hierdurch wird ein Luftstrom, welcher von der Anströmseite her zum Brenner strömt, grösstenteils durch die tangentialen Einlassschlitze 121 als Verbrennungsluft 141 tangential in den Brenner geführt; ein Teilstrom aber, abhängig vom Durchströmquerschnitt der Eindüsungsvorrichtung, strömt als axialer Luftstrom 145 entlang der Brennerachse 100a in das Zentrum des Brenners ein, und beeinflusst durch den zusätzlichen axialen Impuls die axiale Lage der Rückströmzone 123. In den Durchströmkörper 1121 ist koaxial ein verstellbarer Zentralkörper 1122 eingesetzt. Dieser verjüngt sich an einem Ende mit einem Konus 1123. Dieser Konus ragt wenigstens in einer axialen Position des Zentralkörpers in die Öffnung des Bodens des Durchströmkörpers hinein. Durch eine axiale Verstellung des Zentralkörpers 1122 versperrt der Konus 1123 die Öffnung in einem unterschiedlichen Ausmasse, und definiert so den engsten Durchströmquerschnitt der Eindüsungsvorrichtung 112. Durch eine axiale Verstellung des als Steuerkörper dienenden Zentralkörpers kann die axiale Zentralströmung 145 gesteuert und damit auch die Lage und Intensität des Rückströmzone 123 verändert werden. Dies ermöglicht es also, die Intensität der Zentralströmung an die Betriebsbedingungen des Brenners anzupassen. Der stabile und sichere Betriebsbereich des Brenners wird somit nochmals wesentlich erweitert. Gemäss der Erfindung wird die axiale Zentralströmung bei niedrigen Lasten vergleichsweise stark gedrosselt, derart, dass die Rückströmenzone nahe an der Brennermündung zu liegen kommt. Mit steigender thermischer Belastung des Brenners, welche beispielsweise durch eine steigende Brennstoffzufuhr zum Brenner ausgedrückt werden kann, wird die Axialströmung stärker freigegeben, wodurch die Rückströmenzone weiter von der Brennermündung weggetrieben wird. Damit werden die oben als günstig charakterisierten Betriebsmodi erreicht.

[0011] Bei den Vormischbrennern, auf welche die Erfindung bevorzugt Anwendung findet, wird häufig Brennstoff auch zentral zugeführt, wobei diese Brennstoffzuführung sowohl alternativ als auch ergänzend zu der oben beschriebenen Brennstoffzuführung über die Leitungen 111 Anwendung findet. Ein solcher Brenner ist in Fig. 4 dargestellt Der Brenner ist in wesentlichen Elementen insbesondere im Bezug auf den Drallerzeuger 100 und die Zufuhr der Brennstoffmenge 142, vollkommen identisch zu dem in Fig. 1 dargestellten Brenner aufgebaut, weshalb sich eine detaillierte Beschreibung erübrigt, und die folgenden Ausführungen sich auf die Unterschiede dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform beschränken können. Einerseits sind am Frontsegment 108 Filmkühlbohrungen 1081 zu erkennen, durch die eine Kühlluft 148 zur Kühlung des Frontsegmentes strömt. Weiterhin findet sich kopfseitig, d.h. am stromaufwärtigen Ende, des Drallerzeugers eine zentrale Brennstoffdüse. Üblicherweise wird über eine solche zentrale Düse Flüssigbrennstoff oder sogenanntes Pilotgas für den Brenngasbetrieb des Brenners im untersten Teillastbereich in den Verbrennungsluftstrom eingebracht; es kann auch beides kombiniert werden. Der zentral einzubringende Brennstoff 146 wird der Brennstoffdüse 113 über eine Brennstoffleitung 1131 zugeführt. Dargestellt ist im Ausführungsbeispiel in der Figur 4 ein Brennstoffkegel 147, beispielsweise ein Flüssigbrennstoffspray, welcher sich ausgehend von der zentralen Brennstoffdüse 113 im Inneren 122 des Drallerzeugers ausbreitet, und sich weiter stromab sukzessive mit der Drallströmung 144 vermischt. Üblicherweise wird bei der realen Ausführung eines solchen Brenners, wie er in Figur 4 dargestellt ist, im Gasbetrieb der Hauptbrennstoff als Brennstoffmenge 142, als sogenanntes Vormischgas, zugeführt. Die zentrale Brennstoffzuführung kann verwendet werden, um einerseits das oben erwähnte sogenannte Pilotgas zuzuführen. Weiterhin ist es bekannt, derartige Brenner als Zweistoff- ("Dual Fuel"-) Brenner auszuführen, die sowohl mit gasförmigen wie auch mit flüssigen Brennstoffen betrieben werden können; in diesem Fall findet in der Praxis eine zentrale Flüssigbrennstoffdüse Anwendung. Es ist auch bekannt, sowohl Flüssigbrennstoffdüsen als auch Pilotgaszuführungen im Kopfbereich eines Brenners zu implementieren. Daneben finden im Kopfbereich der Brenner häufig noch Düsen für Wasser- oder Dampfeinspritzung, welche häufig benutzt wird, um beim Öl- oder Pilotgasbetrieb des Brenners eine weitere Reduktion der Stickoxidemissionen zu erreichen. In solchen Fällen liegen im Kopfbereich des Brenners mitunter sehr beengte Platzverhältnisse vor, welche die Verwendung einer Zentralluftzufuhr der Art, wie sie in der ersten bevorzugten Ausführungsform in Figur 1 dargestellt ist, unmöglich machen. Es wird daher eine ringförmig um die Brennstoffdüse angeordnete Zentralluftzuführung 112 verwendet. Diese ist detaillierter in der Fig. 5 dargestellt. Brennstoffleitung 1131 mit der Brennstoffdüse 113 ist ein im wesentlichen ringförmiger Durchströmkörper 1121 angeordnet. Der Durchströmkörper 1121 ist mit einer Anzahl innerer Steuerbohrungen versehen, und konzentrisch in einem Aussenkörper 1126 angeordnet. Der Aussenkörper 1126 ist mit einer Anzahl äusserer Steuerbohrungen 1127 versehen, wobei jeder äusseren Steuerbohrung 1127 des Aussenkörpers 1126 eine innere Steuerbohrung 1128 des Durchströmkörpers 1121 zugeordnet ist. Die Zentralströmung strömt durch Paare von Steuerbohrungen in den zwischen der Brennstoffleitung 1131 bzw. der Brennstoffdüse 113 und dem Durchströmkörper 1121 gebildeten Ringspalt ein, und von dort axial in den Innenraum 122 des Drallerzeugers aus. Der Aussenkörper 1126 und der Durchströmkörper 1121 sind relativ zueinander verdrehbar und/oder axial verschieblich angeordnet. Damit kann der Überdeckungsgrad von inneren Steuerbohrungen 1128 und äusseren Steuerbohrungen 1127, somit also der Durchströmquerschnitt und der Massenstrom der Zentralströmung 145, variiert werden.

[0012] Ein weiterer beispielhafter Brenner ist in der Fig. 6 dargestellt. Der Brenner 1 ist an einer Brennkammer 20, beispielsweise einer Gasturbine, angeordnet, und mündet in einen Brennraum 50. Luft strömt von einem nicht dargestellten Verdichter in eine Luftkammer 60, welche von einem Gehäuse 4 umschlossen ist. Innerhalb des Gehäuses 4 ist eine Brennerhaube 5 angeordnet, welche wiederum den Brenner 1 umschliesst. Innerhalb der Brennerhaube ist ein Plenum 55 ausgebildet, welches in Fluidverbindung mit der Luftkammer 60 steht. Ein Verbrennungsluftstrom 141 strömt aus der Luftkammer 60 in das Plenum 55 ein, und von dort durch tangentiale Einlassschlitze in das Innere des Brenners 1, wo diese Luft auf die oben beschriebene Weise eine Drallströmung ausbildet und mit Brennstoff vermischt wird. Der Brenner ist auf die oben beschriebene Weise mit einer zentralen Eindüsungsvorrichtung 112 versehen. Die zentrale Eindüsungsvorrichtung ist mit einer Zentralluft-Zuleitung 1129 verbunden. Die Luftkammer 60 ist mit einer Bypassleitung 61 versehen. Die Bypassleitung 61 und die Zentralluft-Zuleitung 1129 sind miteinander derart verbunden, dass ein Zentralluftstrom 145 von der Bypassleitung 61 zur Zentralluft-Zuleitung 1129 strömen kann. In diesem Strömungsweg ist ein verstellbares Drosselorgan 62 als Stellorgan für den Zentralluftstrom 145 angeordnet. Somit kann der Zentralluftstrom ebenfalls wie oben beschrieben variiert und den Lastbedingungen des Brenners angepasst werden. Gegenüber den in den Figuren 1 und 4 dargestellten Ausführungsformen der steuerbaren Zentrallufteindüsung erfordert das hier dargestellte Ausführungsbeispiel einerseits einen erhöhten apparativen Aufwand, da ein Leitungssystem angeordnet werden muss; im Gegenzug kann das mechanisch vergleichsweise empfindliche Stellorgan an einer geeigneten und thermisch geringer belasteten Stelle angeordnet werden.

[0013] Eine spezielle Ausführungsform der Zentralluftversorgung mit Stellorgan ist in Fig. 7 gezeigt. Sowohl der Luftbypass 61 als auch die Zentralluft-Zuleitung 1129 münden in einem Überströmraum 63. Innerhalb des Überströmraumes ist eine Drosselklappe 64 angeordnet. Diese ist um eine Achse drehbar gelagert, wie durch den Pfeil in der Zeichnung angedeutet. Durch ein Verdrehen der Drosselklappe 64 kann der freie Strömungsquerschnitt des Überströmraumes verändert werden, woraus eine Variation des Zentralluftstromes 145 resultiert.

[0014] Vormischbrenner sind dem Fachmann in unterschiedlichen Ausbildungen geläufig, die sich von den in den Figuren 1, 4, 6 und 7 dargestellten Brennern, die im wesentlichen aus einem kegelförmigen Drallerzeuger bestehen, in der konkreten Ausführung unterscheiden. Gleichwohl sind alle diese Brenner nach einem gemeinsamen Prinzip aufgebaut: Sie weisen einen Drallerzeuger in Form eines Hohlkörpers mit einer Längserstreckung auf, welcher einen Drallerzeuger-Innenraum einschliesst. Der Drallerzeuger weist weiterhin in Richtung der Drallerzeuger-Längsachse erstreckte Einlassschlitze oder in Richtung der Längsachse angeordnete Einlassöffnungen auf, deren Durchströmquerschnitt im wesentlichen eine tangentiale Strömungsrichtung vorgibt. Durch diese Einlassöffnungen strömt Verbrennungsluft mit einer starken tangentialen Geschwindigkeitskomponente in den Drallerzeuger-Innenraum ein, und bildet dort eine Drallströmung mit einer gewissen zur Brennermündung in den Brennraum gerichteten Axialkomponente aus. Zumindest im Bereich der Luft-Einlassöffnungen ist dabei der axiale Srömungsquerschnitt des Drallerzeuger-Innenraums zur Brennermündung hin erweitert. Diese Ausbildung ist günstig, um bei dem in Richtung der Drallerzeugerachse zunehmenden Verbrennungsluft-Massenstrom im Drallerzeuger-Innenraum eine konstante Drallzahl der Drallströmung zu erreichen. Weiterhin weisen diese Brenner Mittel auf, um Brennstoff in die Verbrennungsluft-Strömung einzubringen, welcher sich im Drallerzeuger und in einer fakultativ stromab des Drallerzeugers anzuordnenden Mischzone, beispielsweise einem Mischrohr, möglichst homogen mit der verdrallten Verbrennungsluft vermischt. Am Austritt aus dem Brenner in den Brennraum liegt ein Querschnittssprung des axialen Strömungsquerschnittes vor. Hier kommt es zu einem Aufplatzen der Drallströmung, und der Ausbildung einer zentralen Rückströmzone, die, wie oben bereits ausführlich beschrieben, zur Stabilisierung einer Flamme nutzbar ist.

[0015] Es ist beispielsweise aus der EP 0 780 629, welche Schrift im Übrigen einen integrierenden Bestandteil dieser Anmeldung darstellt, bekannt, stromab des Drallerzeugers eines Brenners ein Mischrohr anzuordnen. Die Realisierung der Erfindung mit einem solchen Brenner ist in Figur 8 beispielhaft dargestellt. Stromab eines kegeligen Drallerzeugers 100, dessen Aufbau und Funktion an dieser Stelle nicht mehr im Detail zu diskutieren ist, ist eine Mischstrecke 200 angeordnet. Der Drallerzeuger ist auf einem Haltering 210 befestigt. In dem Haltering 210 ist weiterhin ein Übergangselement 220 angeordnet. Dieses ist mit einer Anzahl von Übergangskanälen 221 versehen, welche die im Drallerzeuger 100 aus der einströmenden Verbrennungsluft generierte Drallströmung 144 ohne plötzliche Querschnittsänderungen in die Mischstrecke überführt stromab des Übergangselementes ist das eigentliche Mischrohr 230 angeordnet. In dem Mischrohr kommt es nötigenfalls zu einer weiteren Homogenisierung der Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff. Aufgrund der gleichmässigen Bereitstellung eines zündfähigen Gemisches über den gesamten Strömungsquerschnitt des Mischrohres besteht die Gefahr, dass eine Flamme entlang der impulsarmen Wandgrenzschichten in das Mischrohr zurückzündet. Daher ist das Mischrohr mit im spitzen Winkel zur Brennerachse verlaufenden Wandfilmbohrungen 231 versehen. Über diese strömt eine Luftmenge 150 in das Mischrohr ein, und bildet dort einen Wandfilm aus. Durch die Beschleunigung respektive Verkleinerung der Wandgrenzschichten einerseits und die Verdrängung zündfähigen Gemisches aus den impulsarmen Bereichen andererseits wird dieses Rückzünden wirkungsvoll unterbunden. Das Mischrohr 230 verfügt an der Mündung in den Brennraum 50 über eine Abrisskante 232, welche ebenfalls die Form und Lage der sich an der Brennermündung ausbildenden Rückströmzone 123 stabilisiert. Das Mischrohr ist an einem gleichzeitig eine Brennraumwand bildenden Frontsegment 108 befestigt, welches in diesem Beispiel über Prallkühlbleche 109 und Prallkühlluft 149 prallgekühlt ist. Neben der Gefahr des Rückzündens entlang der Wandgrenzschichten besteht auch hier die Gefahr des Rückzündens der Flamme entlang der Brennerachse 100a bei hoher Last, oder die Gefahr des Abschwimmens der Rückströmzone 123 mit Flammeninstabilitäten bei niedriger Last. Um dies zu vermeiden, ist auch der in Figur 8 dargestellte Brenner mit einer nicht ausführlich dargestellten steuerbaren Eindüsungsvorrichtung für eine axiale Zentralströmung 145 ausgestattet, die wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wirkt. Selbstverständlich kann diese auch hier mit einer zentralen Brennstoffdüse kombiniert sein.

[0016] Aus WO 93/17279 und EP 0 945 677 sind gleichfalls Brenner bekannt, welche zylindrische Drallerzeuger mit tangentialen Verbrennungslufteinlässen aufweisen. In diesem Zusammenhang ist auch bekannt, im Inneren eines zylindrischen Drallerzeugers einen sich zur Brennermündung hin verjüngenden Verdrängungskörper anzuordnen. Durch einen derartigen Drallerzeuger-Innenkörper können weiterhin die oben angegebenen günstigen Kriterien für den axialen Durchflussquerschnitt des Drallerzeugers, nämlich, dass der axiale Durchflussquerschnitt in axialer Durchströmungsrichtung zunimmt, erfüllt werden. Ausführungsformen solcher Brenner sind in den Figuren 9 und 10 dargestellt. Die erste Ausführungsform in Figur 9 zeigt das Prinzip eines derartigen Brenners. Die Funktionsweise ist hinreichend bekannt und im Zusammenhang mit Figur 1 prinzipiell erläutert; Abweichend von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Brenners weist die in Fig. 9 dargestellte Ausführungsform allerdings einen kegeligen, sich zur Brennermündung in den Brennraum 50 hin verjüngenden Verdrängungskörper auf. Die Eindüsungsvorrichtung 112 für axiale Zentralströmung 145 wird zweckmässig im Bereich des stromabwärtigen Endes diese Verdrängungskörpers angeordnet. Die Zuströmung zu der Eindüsungsvorrichtung 112 kann mit Vorteil im Inneren des Verdrängungskörpers angeordnet werden; dort findet sich ebenfalls Platz für die erfindungsgemäss am Brenner anzuordnenden Steuerungsmittel. Weiterhin können hier bei Bedarf natürlich problemlos zentrale Brennstoffeindüsungen angeordnet werden.

[0017] Fig. 10 zeigt eine derartige Ausführung des Brenners, wie sie in der Grundform in der EP 0 945 677 ausführlich beschrieben ist, detaillierter. Der Verdrängungskörper 105 ist hohl und an seinem dem Brennraum 50 zugewandten Ende stumpf ausgebildet. Die Eindüsungsvorrichtung 112 für die axiale Zentralströmung ist innerhalb des hohlen und zur stromaufwärtigen Anströmseite des Brenners offenen Verdrängungskörper 105 angeordnet. Der Massenstrom der Axialströmung 145 kann mittels einem axial verschieblichen Zentralkörper 1122 mit einem Steuerkonus 1123 verändert werden. Dabei ist der eigentliche Steuermechanismus mit dem Konus aus Platzgründen im stromaufwärtigen Teil des Verdrängungskörper-Innenraumes angeordnet. Am stromabwärtigen Ende des Verdrängungskörpers ist im Inneren eine Kammer angeordnet. Zu dieser Kammer führt durch den hohlen Verdrängungskörper hindurch eine Brennstoffleitung 1131, über die der Kammer eine Brennstoffmenge 146 zugeführt wird. Dieser Brennstoff kann über als zentrale Brennstoffdüse wirkende Austrittsöffnungen 113 als zentral eingedüster Brennstoff in den verdrallten Verbrennungsluftstrom 144 strömen. Durch die Steuerung des axial eingebrachten Massenstroms 145 mittels des Steuerkonus 1123 kann die Lage der Rückströmzone 123 den jeweiligen Betriebsbedingungen des Brenners angepasst werden. Selbstverständlich sind hier auch Ausführungen der Brennstoffeindüsung und der Eindüsung der axialen Zentralströmung möglich, bei denen der Brennstoff entlang der Brennerachse 100a eingebracht wird, und die Eindüsungsvorrichtung für die Zentralströmung ringförmig angeordnet ist, etwa analog zu den in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen.

[0018] Selbstverständlich können auch die Brenner mit zylindrischem Drallerzeuger mit einer dem Drallerzeuger stromab nachgeschalteten Mischstrecke versehen werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.

[0019] Der Einsatz eines Drallerzeugers mit einem zentralen Verdrängungskörper ermöglicht es auch, den Drallerzeuger selbst zur Mündung hin konvergent zu gestalten, und den axialen Diurchströmquerschnitt des Drallerzeuger-Innenraums dennoch divergent zu gestalten. Diese, in Figur 11 dargestellte Variante, ermöglicht einen zur Brennerachse 100a gerichteten Verlauf der transversalen Geschwindigkeitskomponente der Drallströmung 144. Auch hier kann der Zentralkörper 105 mit Vorteil mit einer Eindüsungsvorrichtung 112 zum Einbringen einer steuerbaren axialen Zentralströmung versehen werden.

[0020] Drallerzeuger mit tangentialen Verbrennungslufteinlässen können auf unterschiedliche Weise aufgebaut sein. Neben dem in den Figuren 2 und 3 im Querschnitt dargestellten Aufbau aus mehreren Teilkörpern kommen auch monolithische Bauweisen mit Einlassöffnungen in Frage. Eine solche Ausführungsform ist in der Figur 12 im Querschnitt dargestellt. Der Drallerzeuger ist aus einem hohlzylindrischen Monolithen aufgebaut. In diesen sind Einlassöffnungen 121 in Form von axial und tangential verlaufenden Schlitzen eingearbeitet, durch welche ein Verbrennungsluftstrom 141 tangential in das Drallerzeuger-Innere 122 einströmt. Weiterhin sind Brennstoffzuführungen 111 in Form von axial verlaufenden, im Bereich der Einlassöffnungen angeordneten Bohrungen zu erkennen, welche Austrittsbohrungen 1111 aufweisen, über die eine Brennstoffmenge 142 in den Verbrennungsluftstrom 141 ausströmen kann. In Figur 13 ist ein kegelförmiger Drallerzeuger 100 aus einem monolithischen Hohlkörper dargestellt. Dieser könnte selbstverständlich auch zylindrisch sein. In den monolithischen Drallerzeuger sind tangentiale Öffnungen, beispielsweise Bohrungen, eingearbeitet, welche ebenfalls als tangentiale Eintrittsöffnungen 121 für einen Verbrennungsluftstrom 141 dienen.

[0021] In Fig. 14 ist eine erste, einfach zu handhabende Betriebsweise dargestellt. Der Brenner 1 wird mit einer Brennstoffmenge 142 betrieben. Der Massenstrom dieses Brennstoffs wird an einer Messstelle 2 bestimmt. Das sich hieraus ergebende Massenstromsignal X_ṁ wird in einer Steuereinheit 3 verarbeitet, und in ein Steuersignal Y für den Verstellmechanismus der axialen Zentrallufteindüsung des Brenners 1 umgesetzt.

[0022] Eine zweite, in Fig. 15 dargestellte Ausführungsform betrifft den erfindungsgemässen Einsatz eines oben beschriebenen Brenners in Gasturbinenanlagen. Im Beispiel in Figur 15 sind ein Verdichter 10, eine Turbine 30, und ein Generator 40 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Der Verdichter 10 ist mit einer verstellbaren Vorleitreihe 11 ausgestattet. Im Strömungsweg eines Arbeitsmediums ist zwischen dem Verdichter 10 und der Turbine 30 eine Brennkammer 20 angeordnet. Die Brennkammer 20 wird mit mindestens einem Brenner 1 betrieben. Von einer Steuereinheit 3 ist ein Stellsignal Y an die verstellbare Vorrichtung zur Eindüsung der axialen Zentralströmung geführt. Im dargestellten Beispiel erhält die Steuereinheit 3 ein Leistungssignal X_P, Signale X_AMB von nicht dargestellten Sensoren, welche Umgebungsbedingungen - Temperatur, Feuchte, Druck und weitere - der Umgebungsluft bestimmen, sowie ein Signal X_VLE, welches die Stellung der Vorleitreihe 11 wiedergibt. Selbstverständlich können eine ganze Reihe weiterer, Maschinen-betriebsrelevanter Daten zu der Steuereinheit 3 geführt sein; insbesondere könnte das Generator-Leistungssignal durch Brennstoffmassenstromsignale ersetzt werden. Aus diesen Grössen ist die Steuereinheit 3 in der Lage, eine verbrennungsluftspeziftsche Brennerbelastung zu bilden, und aus dieser das Steuersignal Y zu bestimmen.

[0023] In Figur 16 ist wiederum eine Gasturbogruppe mit einem auf einer gemeinsamen Welle angeordneten Verdichter 10, einer Turbine 30, und einem Generator 40 dargestellt. Die Brennkammer 20 ist als Ringbrennkammer, im Längsschnitt, dargestellt, welche mit wenigstens einem Brenner 1 betrieben wird. Der Brenner 1 ist mit einer Temperaturmessstelle zur Bestimmung der Materialtemperatur versehen, welche ein Temperatursignal X_T erzeugt. Die Brennkammer 20 ist mit einer Pulsationsmessvorrichtung zur Bestimmung der Verbrennungs-Druckschwankungen versehen, welche ein Pulsationssignal X_Puls erzeugt. Die Signale X_T und X_Puls sind zu einer Steuereinheit 3 geführt, welche ein Steuersignal Y zur Steuerung der Intensität der axialen Zentralströmung generiert. Wenn die Materialtemperatur einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wird der zentral eingedüste Massenstrom erhöht, damit wird die Flamme ein Stück von der Brennermündung weggetrieben, was die Wärmebelastung des Brenners vermindert. Andererseits kann es dadurch zu einer unerwünschten Verminderung der Flammenstabilität kommen. Dies wird durch die Pulsationsmessstelle festgestellt. Wenn das Pulsationssignal X_Puls anwächst, kann der zentral eingedüste Massenstrom vermindert werden, um die Verbrennungsstabilität zu erhöhen und dem Anwachsen der Verbrennungs-Druckschwankungen entgegenzuwirken. Auf diese Weise kann die Zentraleindüsung in Abhängigkeit von gemessenen relevanten Daten geregelt werden.

[0024] Es versteht sich von selbst, dass die angegebenen Betriebsverfahren auch Teil wesentlich komplexerer, übergeordneter Steuerungskonzepte darstellen und in diese integriert sein können.

[0025] Es ist weiterhin auch denkbar, nur einzelne Brenner eines Mehrbrennersystems mit der erfindungsgemässen Zentralluftversorgung zu versehen, oder die Brenner mit unterschiedlichen Zentralluftströmen zu betreiben. Dadurch kann gezielt eine Symmetriebrechung in Mehrbrennersysternen erreicht werden, was zur Verminderung oder vollständigen Vermeidung insbesondere azimutaler akustischer Schwingungen nutzbar ist.

[0026] Die oben gemachten Ausführungen dienen dem Fachmann als illustrative Beispiele für die Vielzahl von möglicher Ausführungsformen des erfindungsgemässen und in den Ansprüchen gekennzeichneten Betriebsweisen von Vormischbrennern.

Bezugszeichenliste

[0027] 

1

Brenner

2

Massenstrom-Messstelle

3

Steuereinheit

4

Gehäuse

5

Brennerhaube

10

Verdichter

11

verstellbare Vorleitreihe

20

Gasturbinen-Brennkammer

30

Turbine

40

Generator

50

Brennraum

55

Plenum

60

Luftkammer

61

Luftbypass

62

Zentralluft-Steuerorgan

63

Überströmraum

64

Drosselklappe

100

Drallerzeuger

100a

Längsachse des Drallerzeugers, Brenners

102, 102, 103, 104

Drallerzeuger-Teilkörper

101a, 102a, 103a, 104a

Achsen der Drallerzeuger-Teilkörper

105

Drallerzeuger-Innenkörper

108

Frontplatte, Frontsegment

109

Prallkühlblech

111

Brennstoffleitung

112

Eindüsungsvorrichtung

113

zentrale Brennstoffdüse

121

tangentiale Einlassschlitze

122

Innenraum des Drallerzeugers

123

Rückströmzone

141

Verbrennungsluftstrom

142

Brennstoffmenge

144

Drallströmung

145

axiale Zentralströmung

146

zentral einzudüsende Brennstoffmenge

147

zentral eingedüster Brennstoff

148

Kühlluft

149

Prallkühlluft

150

Luftmenge, Wandfilm

200

Mischstrecke

210

Haltering

220

Übergangselement

221

Übergangskanäle

230

Mischrohr

231

Wandfilmbohrungen

232

Abrisskante

1051

Kammer

1081

Filmkühlöffnungen

1111

Austrittsbohrung

1121

Durchströmkörper

1122

Zentralkörper

1123

Konus

1124

Boden

1125

Öffnung

1126

Aussenkörper

1127

äussere Steuerbohrung

1128

innere Steuerbohrung

1129

Zentralluft-Zuführleitung

1131

Brennstoffzuleitung

X

Messgrösse

Y

Stellgrösse

Ansprüche

1. Verfahren zum Betrieb eines Brenners welcher Brenner aufweist:

einen Drallerzeuger (100) zum tangentialen Einbringen eines Verbrennungsluftstroms (141) in einen Innenraum (122) des Drallerzeugers, sowie Mittel zum Einbringen wenigstens eines Brennstoffes (142) in den Verbrennungsluftstrom, und welcher Brenner an einem stromabwärtigen Ende eine sprunghafte Querschnittserweiterung eines axialen Brenner-Durchströmquerschnittes zu einem Brennraum (50) hin aufweist, und

welcher Brenner weiterhin eine Eindüsungsvorrichtung (112) zum Einbringen einer axialen Zentralströmung (145) entlang einer zentralen Brennerachse (100 a) aufweist, wobei besagte Eindüsungsvorrichtung (112) mit verstellbaren Elementen (62, 64, 1122, 1126) zur Veränderung eines Durchströmquerschnittes und zur Steuerung des Massenstroms der Zentralströmung in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass

bei einer ersten Brennerlast, welche kleiner ist als eine zweite Brennerlast, die axiale Zentralströmung stärker gedrosselt wird als bei der zweiten Brennerlast, während die axiale Zentralströmung bei der zweiten Brennerlast, welche grösser ist als die erste Brennerlast, nicht gedrosselt wird oder geringer gedrosselt wird als bei der ersten Brennerlast.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerlast über ein Brennstoffmengen-Messsignal (X_ṁ) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brenner in einer Brennkammer (20) einer Gasturbinenanlage betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerlast in Abhängigkeit von einer Generatorleistung und/oder einer Brennstoffmenge der Gasturbinenanlage, der Stellung der Vorleitreihe eines der Gasturbinenanlage zugehörigen Verdichters, und Umgebungsbedingungen bestimmt wird.

4. Verfahren gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, mehrere Brenner in einem Mehrbrennersystem zu betreiben, und die Brenner mit unterschiedlichen Zentralluftströmen zu betreiben.

5. Brenner zur Durchführung eines Verfahrens gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, welcher im wesentlichen einen Drallerzeuger (100) zum tangentialen Einbringen eines Verbrennungsluftstroms (141) in einen Innenraum (122) des Drallerzeugers beinhaltet, sowie Mittel zum Einbringen wenigstens eines Brennstoffes (142) in den Verbrennungsluftstrom, und welcher Brenner an einem stromabwärtigen Ende eine sprunghafte Querschnittserweiterung eines axialen Brenner-Durchströmquerschnittes zu einem Brennraum (50) hin aufweist, und welcher Brenner weiterhin eine Eindüsungsvorrichtung (112) zum Einbringen einer axialen Zentralströmung (145) entlang einer zentralen Brennerachse (100a) aufweist, wobei die Eindüsungsvorrichtung (112) mit verstellbaren Elementen (62, 64, 1122, 1126) zur Veränderung eines Durchströmquerschnittes und zur Steuerung des Massenstromes der Zentralströmung in Wirkverbindung steht, und wobei die Eindüsungsvorrichtung (112) mit einer Zentralluft-Zuleitung (1129) verbunden ist, und das verstellbare Element (62, 64) in Wirkverbindung mit einem der Eindüsungsvorrichtung abgewandten Ende der Zentralluft-Zuleitung (1129) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralluft-Zuleitung (1129) an dem der Eindüsungsvorrichtung abgewandten Ende mit einem Luftbypass (61) in Verbindung steht, und dass zwischen der Zentralluft-Zuleitung und dem Luftbypass das verstellbare Element (62) angeordnet ist.

6. Brenner gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ZentralluftZuführung und der Bypass über einen dazwischen angeordneten Überströmraum in Fluidverbindung stehen, und dass das verstellbare Element eine in dem Überströmraum angeordnete Drosselklappe ist,

7. Brenner nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Brenner-Durchströmquerschnitt des Innenraums (122) im Bereich des Drallerzeugers (100) wenigstens teilweise zunimmt.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenraum (122) des Drallerzeugers (100) im Längsschnitt wenigstens näherungsweise die Form eines Kegels aufweist.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenraum (122) des Drallerzeugers (100) im Längsschnitt wenigstens näherungsweise Zylinderform aufweist.

10. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (122) des Drallerzeugers (100) ein Verdrängungskörper (105) angeordnet ist.

11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (105) sich zur Brennermündung hin verjüngt.

12. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Drallerzeuger (100) und der Brennermündung in den Brennraum (50) eine Mischstrecke (200) angeordnet ist.

13. Brenner nach Anspruch 8, wobei der Innenraum (122) des Drallerzeugers die Form eines sich zur Brennermündung hin erweiternden Kegels aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungsvorrichtung (112) an einem stromaufwärtigen, der Brennermündung abgewandten Ende des Drallerzeugers (100) angeordnet ist.

14. Brenner nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungsvorrichtung (112) an einem stromabwärtigen, der Brennermündung zugewandten Ende des Verdrängungskörpers (105) angeordnet ist.

15. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger aus einer Anzahl lateral zueinander versetzt angeordneter Teilkörper (101, 102, 103, 104) besteht, zwischen welchen tangentiale Einlassschlitze (121) für den Verbrennungsluftstrom (141) ausgebildet sind.

16. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger als monolitischer Hohlkörper ausgebildet ist, in welchen tangentiale Eintrittsschlitze und/oder Reihen tangentialer Eintrittsöffnungen für den Verbrennungsluftstrom eingearbeitet sind.

17. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 16 zum Betrieb in einer Brennkammer einer Gasturbinenanlage.

Claims

1. Method for operating a burner, which burner has: a swirl generator (100) for the tangential introduction of a combustion-air stream (141) into an interior (122) of the swirl generator, and means for introducing at least one fuel (142) into the combustion-air stream, and which burner has, at a downstream end, a jump-like cross-sectional widening of an axial burner throughflow cross section towards a combustion space (50), and which burner has, furthermore, an injection device (112) for introducing an axial central flow (145) along a central burner axis (100a), the said injection device (112) being operatively connected to adjustable elements (62, 64, 1122, 1126) for varying a throughflow cross section and controlling the mass flow of the central flow, characterized in that, in the case of a first burner load which is lower than a second burner load, the axial central flow was throttled to a greater extent than in the case of the second burner load, whilst, in the case of the second burner load which is higher than the first burner load, the axial central flow is not throttled or is throttled to a lesser extent than in the case of the first burner load.

2. Method according to Claim 1, characterized in that the burner load is determined via a fuel-quantity measurement signal (X_ṁ).

3. Method according to Claim 1, the burner being operated in a combustion chamber (20) of a gas turbine plant, characterized in that the burner load is determined as a function of a generator power and/or of a fuel quantity of the gas turbine plant, at the position of the upstream guide-vane cascade of a compressor belonging to the gas turbine plant and at ambient conditions.

4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of burners are operated in a multi-burner system and the burners are operated with different central-air streams.

5. Burner for carrying out a method according to one of the preceding claims, which contains essentially a swirl generator (100) for the tangential introduction of a combustion-air stream (141) into an interior (122) of the swirl generator, and means for introducing at least one fuel (142) into the combustion-air stream, and which burner has, at a downstream end, a jump-like cross-sectional widening of an axial burner throughflow cross section towards a combustion space (50), and which burner has, furthermore, an injection device (112) for introducing an axial central flow (145) along a central burner axis (100a), the injection device (112) being operatively connected to adjustable elements (62, 64, 1122, 1126) for varying a throughflow cross section and for controlling the mass flow of the central flow, and the injection device (112) being connected to a central-air supply line (1129), and the adjustable element (62, 64) being arranged so as to be operatively connected to one end, facing away from the injection device, on the central-air supply line (1129), characterized in that, at the end facing away from the injection device, the central-air supply line (1129) is connected to an air bypass (61), and in that the adjustable element (62) is arranged between the central-air supply line and the air bypass.

6. Burner according to Claim 5, characterized in that the central-air supply and the bypass are fluid-connected via an overflow space arranged between them, and in that the adjustable element is a throttle valve arranged in the overflow space.

7. Burner according to either one of Claims 5 and 6, characterized in that the axial burner throughflow cross section of the interior (122) increases at least partially in the region of the swirl generator (100).

8. Burner according to one of Claims 5 to 7, characterized in that an interior (122) of the swirl generator (100) has, in longitudinal section, at least approximately the form of a cone.

9. Burner according to either one of Claims 5 and 6, characterized in that an interior (122) of the swirl generator (100) has, in longitudinal section, at least approximately the form of a cylinder.

10. Burner according to one of Claims 5 to 9, characterized in that a displacement body (105) is arranged in the interior (122) of the swirl generator (100).

11. Burner according to Claim 10, characterized in that the displacement body (105) narrows towards the burner mouth.

12. Burner according to one of Claims 5 to 11, characterized in that a mixing stage (200) is arranged between the swirl generator (100) and the burner mouth issuing into the combustion space (50).

13. Burner according to Claim 8, the interior (122) of the swirl generator having the form of a cone widening towards the burner mouth, characterized in that the injection device (112) is arranged at an.upstream end, facing away from the burner mouth, of the swirl generator (100).

14. Burner according to either one of Claims 10 and 11, characterized in that the injection device (112) is arranged at a downstream end, facing the burner mouth, of the displacement body (105).

15. Burner according to one of Claims 5 to 14, characterized in that the swirl generator consists of a number of part-bodies (101, 102, 103, 104) which are arranged so as to be offset laterally in relation to one another and between which are formed tangential inlet slits (121) for the combustion-air stream (141).

16. Burner according to one of Claims 5 to 14, characterized in that the swirl generator is designed as a monolithic hollow body, into which are incorporated tangential inlet slits and/or rows of tangential inlet ports for the combustion-air stream.

17. Burner according to one of Claims 5 to 16 for operation in a combustion chamber of a gas turbine plant.

Revendications

1. Procédé pour faire fonctionner un brûleur, lequel brûleur présente :

un générateur de tourbillon (100) pour l'introduction tangentielle d'un courant d'air comburant (141) dans un espace interne (122) du générateur de tourbillon, ainsi que des moyens pour introduire au moins un combustible (142) dans le courant d'air comburant, et lequel brûleur présente, à une extrémité aval, un élargissement soudain de section transversale d'une section transversale d'écoulement axiale du brûleur vers un espace de combustion (50), et lequel brûleur présente en outre un dispositif d'injection (112) pour l'introduction d'un écoulement central axial (145) le long d'un axe central du brûleur (100a),

ledit dispositif d'injection (112) étant en liaison coopérante avec des éléments réglables (62, 64, 1122, 1126) en vue de modifier une section transversale d'écoulement et de commander le débit massique de l'écoulement central,

caractérisé en ce que, dans le cas d'une première charge du brûleur qui est inférieure à une deuxième charge du brûleur, l'écoulement central axial est plus fortement étranglé que dans le cas de la deuxième charge du brûleur, tandis que l'écoulement central axial, dans le cas de la deuxième charge du brûleur, qui est supérieure à la première charge du brûleur, n'est pas étranglé ou est moins étranglé que dans le cas de la première charge du brûleur.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la charge du brûleur est déterminée par le biais d'un signal de mesure de la quantité de combustible (X_m).

3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le brûleur est utilisé dans une chambre de combustion (20) d'une installation de turbine à gaz, caractérisé en ce que la charge du brûleur est déterminée en fonction d'une puissance du générateur et/ou d'une quantité de combustible de l'installation de turbine à gaz, de la position de la rangée pré-directrice d'un compresseur associé à l'installation de turbine à gaz, et des conditions environnantes.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que plusieurs brûleurs sont utilisés dans un système à plusieurs brûleurs, et les brûleurs fonctionnent avec des courants d'air centraux différents.

5. Brûleur pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui contient essentiellement un générateur de tourbillon (100) pour l'introduction tangentielle d'un courant d'air comburant (141) dans un espace interne (122) du générateur de tourbillon, ainsi que des moyens pour introduire au moins un combustible (142) dans le courant d'air comburant, et lequel brûleur présente, à une extrémité aval, un élargissement soudain de section transversale d'une section transversale d'écoulement axiale du brûleur vers un espace de combustion (50), et lequel brûleur présente en outre un dispositif d'injection (112) pour l'introduction d'un écoulement central axial (145) le long d'un axe central du brûleur (100a), le dispositif d'injection (112) étant en liaison coopérante avec des éléments réglables (62, 64, 1122, 1126) en vue de modifier une section transversale d'écoulement et de commander le débit massique de l'écoulement central, et le dispositif d'injection (112) étant connecté à une conduite d'amenée d'air central (1129), caractérisé en ce que la conduite d'amenée d'air central (1129) est en liaison avec une dérivation d'air (61) à l'extrémité opposée au dispositif d'injection, et en ce que l'élément réglable (62) est disposé entre la conduite d'amenée d'air central et la dérivation d'air.

6. Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la conduite d'amenée d'air central et la dérivation sont en liaison fluidique par le biais d'un espace de trop-plein disposé entre elles et en ce que l'élément réglable est une soupape d'étranglement disposée dans l'espace de trop-plein.

7. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la section transversale d'écoulement axiale du brûleur de l'espace interne (122) augmente au moins partiellement dans la région du générateur de tourbillon (100).

8. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'un espace interne (122) du générateur de tourbillon (100) présente en coupe longitudinale au moins approximativement la forme d'un cône.

9. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'un espace interne (122) du générateur de tourbillon (100) présente en coupe longitudinale au moins approximativement la forme d'un cylindre.

10. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'un corps de déplacement (105) est disposé dans l'espace interne (122) du générateur de tourbillon (100).

11. Brûleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le corps de déplacement (105) se rétrécit vers l'embouchure du brûleur.

12. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, caractérisé en ce qu'une section de mélange (200) est disposée entre le générateur de tourbillon (100) et l'embouchure du brûleur dans l'espace de combustion (50).

13. Brûleur selon la revendication 8, dans lequel l'espace interne (122) du générateur de tourbillon présente la forme d'un cône s'élargissant vers l'embouchure du brûleur, caractérisé en ce que le dispositif d'injection (112) est disposé à une extrémité amont du générateur de tourbillon (100) opposée à l'embouchure du brûleur.

14. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que le dispositif d'injection (112) est disposé à une extrémité aval du corps de déplacement (105), tournée vers l'embouchure du brûleur.

15. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 5 à 14, caractérisé en ce que le générateur de tourbillon se compose d'une pluralité de corps partiels (101, 102, 103, 104) décalés latéralement les uns par rapport aux autres, entre lesquels sont réalisées des fentes d'entrée tangentielles (121) pour le courant d'air comburant (141).

16. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 5 à 14, caractérisé en ce que le générateur de tourbillon est réalisé sous la forme d'un corps creux monolithique, dans lequel sont incorporées des fentes d'entrée tangentielles et/ou des rangées d'ouvertures d'entrée tangentielles pour le courant d'air comburant.

17. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 5 à 16, destiné à être utilisé dans une chambre de combustion d'une installation de turbine à gaz.

Zeichnung