Brenner, Gasturbine und Betrieb eines Brenners

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Brenner (9), der an einem ersten und einem zweiten Kanal (23,21) zur Führung eines Brennstoff/Luftgemisches (11A,11B) angeschlossen ist, wobei die beiden Kanäle durch eine Trennwand (35) stromauf der Verbrennungszone (31) voneinander getrennt sind. Die Trennwand (35) ist mit Öffnungen (37) versehen, d.h. perforiert ausgeführt, wodurch ein partieller Austausch von Energie, Impuls und Brennstoffkonzentration zwischen den Teilströmen ermöglicht wird. Dies hat in einer sich stromab der Trennwand (35) ausbildenden Strömungsscherschicht (33) eine stärkere Dämpfung von sich ausbildenden Dichte-Fluktuationen zur Folge, was wiederum zu einer geringeren Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen führt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem ersten und einem zweiten Kanal zur Führung eines Brennstoff-Luftgemisches. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brenners und eine Gasturbine mit einem solchen Brenner.

[0002] Ein Brenner für eine Feuerungsanlage, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, ist aus der DE 198 39 085 C2 bekannt. Dieser Brenner weist einen zentralen Diffusionsbrenner auf, bei dem zur Verbrennungsluft Brennstoff zugegeben wird und dieser in einer Verbrennungszone verbrannt wird. Dabei erfolgt die Zugabe des Brennstoffs ohne eine größere Mischstrecke im Vorlauf vor der Verbrennungszone. Im Gegensatz dazu weist der diesen zentralen Diffusionsbrenner umgebende ringkanalförmige Vormischbrenner eine intensive Vormischung von Brennstoff mit Verbrennungsluft auf, bevor dieses Brennstoff/Luftgemisch ebenfalls in der Verbrennungszone verbrannt wird. Vorteil eines solchen Vormischbrenners ist die homogene Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft vor der Verbrennung. Eine solche homogene Vermischung ist insbesondere im Hinblick auf eine niedrige Stickoxidemission wichtig, da die Stickoxidbildung exponentiell mit der Flammentemperatur anwächst, wobei in Bereichen höherer Brennstoffkonzentration höhere Flammentemperaturen entstehen. Somit wird bei einem inhomogenen Brennstoffgemisch die Stickoxidemission im Wesentlichen von den Bereichen höherer Brennstoffkonzentration bestimmt. Geringe Stickoxidemissionen werden bei dem Vormischbrenner zudem durch eine vergleichsweise geringe Brennstoffkonzentration erreicht, d.h. es wird ein vergleichsweise mageres Gemisch verbrannt. Dies hat allerdings den Nachteil, dass es vermehrt zu Flammeninstabilitäten kommt. Solche Flamminstabilitäten wiederum sind Ausgangspunkt von Verbrennungsschwingungen. Derartige Verbrennungsschwingungen bauen sich resonanzartig bei bestimmten Frequenzbereichen durch eine akustische Rückkopplung von Druckpulsationen und Flamminstabilitäten auf. Eine Stabilisierung der mageren Vormischverbrennung wird durch den zentralen Diffusionsbrenner erreicht, der weniger anfällig hinsichtlich der Verbrennungsinstabilitäten ist, gleichzeitig aber auch durch ein lokal fetteres Verbrennungsgemisch verantwortlich für höhere Stickoxidkonzentrationen ist.

[0003] In der DE 198 39 085 C2 wird eine Flammenstabilisierung durch einen zusätzlichen Brennstoffeinlass in die Verbrennungszone aus den Vormischbrenner ringförmig umgebenden Öffnungen erreicht.

[0004] Randströmungen können besonders anfällig für Brennstoffdichtefluktuationen und somit Ausgangspunkt von Verbrennungsinstabilitäten sein. Aus der EP 0 870 898 A2 ist bekannt, die Brennstoffkonzentration über den Umfang eines Brennstoffkanals zu variieren. Durch eine Abmagerung des Konzentrationsgehalts von Brennstoff in einer instabilitätsanfälligen Randzone wird das Risiko der Ausbildung einer Verbrennungsinstabilität aus dieser Randzone heraus verringert, da die Zündfähigkeit durch die Abmagerung verringert wird. Diese inhomogene Brennstoffzugabe hat allerdings zur Folge, dass kein homogenes Brennstoff-Luftgemisch mehr vorliegt, mit den oben beschriebenen Nachteilen hinsichtlich der Stickoxidemissionen. Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung solcher Randzonen ist aus der WO 97/11383 A2 bekannt. Hier wird ein radial außen liegender Strömungsbereich in einem Ringkanal eines Vormischbrenners gegenüber der Hauptströmung verzögert.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Brenners mit besonders günstigen Eigenschaften hinsichtlich einer geringen Anfälligkeit für Verbrennungsschwingungen und gleichzeitig niedrigen Stickoxidemissionen. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zum Betrieb eines Brenners und die Angabe einer Gasturbine.

[0006] Erfindungsgemäß wird die auf einen Brenner gerichtete Aufgabe gelöst durch Angabe eines Brenners mit einem ersten Kanal zur Führung eines ersten Brennstoff/Luftgemisches und einem zweiten Kanal zur Führung eines zweiten Brennstoff/Luftgemisches, wobei das erste und das zweite Brennstoff/Luftgemisch für eine Verbrennung in einer Verbrennungszone unter Bildung einer Strömungsscherschicht zusammengeführt werden, wobei der erste und der zweite Kanal voneinander durch eine Trennwand getrennt sind und wobei die Trennwand Öffnungen so aufweist, dass ein partieller Austausch von Masse und Brennstoffkonzentration zwischen dem ersten und dem zweiten Brennstoff/Luftgemisch entsteht.

[0007] Nach Erkenntnis der Erfindung kann gerade die Strömungsscherschicht zwischen zwei zur Verbrennung zusammengeführten Brennstoff/Luftgemischströmen Ausgangspunkt für Verbrennungsinstabilitäten sein, da in einer solchen Strömungsscherschicht Querströmungen aufgrund der Scherkräfte zu einem Oszillieren dieser Strömungsscherschicht führen können. Die hierdurch hervorgerufenen Dichte und Konzentrationsschwankungen können nunmehr bei der Verbrennung zum Aufbau einer Verbrennungsschwingung führen. In dem stromauf der Verbrennungszone die beiden zusammenzuführenden Brennstoff/Luftgemischströme über Öffnungen in einer Trennwand bereits partiell Masse und Brennstoffkonzentration austauschen können, kommt es zu einer weniger diskret und diskontinuierlich ausgeprägten Strömungsscherschicht. Diese ist weniger anfällig hinsichtlich der Verbrennungsschwingungen. Der Austausch von Masse über Querströmungen durch die Öffnungen hat auch zwangsläufig einen Energie- und Impulsausgleich zur Folge und damit eine Angleichung von Energie und Impuls der beiden Brennstoff/Luftgemischströme. Dies führt wiederum zu einer Reduktion der Scherkräfte in der stromab sich ausbildenden Scherschicht.

[0008] Vorzugsweise sind die Öffnungen so dimensioniert, dass es durch den Austausch von Masse zu einer Aufdickung der Strömungsscherschicht kommt. Die Anzahl und die Größe der Öffnungen werden also so eingestellt, dass die Strömungsscherschicht eine wesentlich größere Dicke aufweist, als bei einer Trennwand ohne Öffnungen. Weiter bevorzugt sind die Öffnungen in ihrer Anzahl und Größe so konfiguriert, dass es mindestens zu einer Verdopplung der Strömungsscherschichtdicke kommt. In einer solchen verdickten Strömungsscherschicht werden etwaig auftretende Oszillationen und Brennstoff- und Dichte-Fluktuationen sehr viel schneller gedämpft, als in einer dünneren Strömungsscherschicht. Dies hat wiederum eine geringe Anfälligkeit für Verbrennungsschwingungen zur Folge.

[0009] Bevorzugt ist die Brennstoffkonzentration über den Querschnitt des ersten und des zweiten Kanals jeweils im Wesentlichen homogen. Durch die perforierte Trennwand wird die Anfälligkeit für Verbrennungsschwingungen aufgrund der Instabilitäten in der Strömungsscherschicht soweit herabgesetzt, dass die Abmagerung des Brennstoff/Luftgemisches in dieser Zone nicht mehr oder nur unwesentlich nötig ist. Durch die somit einstellbare Homogenität der Brennstoffkonzentration können Stickoxidemissionen reduziert werden.

[0010] Vorzugsweise ist der zweite Kanal im Querschnitt ringförmig ausgebildet und umgibt den ersten Kanal. Dabei ist weiter bevorzugt der erste Kanal ein Diffusionsbrennerkanal und der zweite Kanal ein Vormischbrennerkanal. Weiter bevorzugt ist der Brenner als Gasturbinenbrenner ausgestaltet. Gerade in einer Gasturbine können Verbrennungsinstabilitäten aufgrund der sehr großen Leistungsfreisetzungen zu erheblichen Problemen führen. Üblicherweise werden bei Gasturbinenbrennern ringkanalförmige Vormischbrenner eingesetzt, die über einen zentralen Diffusionsbrenner stabilisiert werden. Bei Zusammenführung der Brenngasströme kommt es zu der oben beschriebenen Ausbildung einer Strömungsscherschicht mit den nachteiligen Wirkungen hinsichtlich der Anfälligkeit für Verbrennungsschwingungen.

[0011] Erfindungsgemäß wird die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe gelöst durch Angabe einer Gasturbine mit einem Brenner gemäß einem der vorstehend beschriebenen Ausführungen. Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Angabe eines Verfahrens zum Betrieb eines Brenners, bei dem ein erstes Brennstoff/Luftgemisch und ein zweites Brennstoff/Luftgemisch unter Bildung einer Strömungsscherschicht in einer Verbrennungszone zusammengeführt und dort verbrannt werden, wobei vor der Zusammenführung der Gemische in der Strömungsscherschicht ein partieller Austausch von Masse und Brennstoffkonzentration zwischen den Gemischen erfolgt.

[0012] Die Vorteile eine solchen Verfahrens entsprechen den obigen Ausführungen zu den Vorteilen des Brenners.

[0013] Vorzugsweise erfolgt der Austausch von Masse und Brennstoffkonzentration über eine perforierte Tennwand unmittelbar stromauf der Bildung der Strömungsscherschicht.

[0014] Weiter bevorzugt wird durch den Austausch die Strömungsscherschicht so verbreitert, dass sich in der Strömungsscherschicht eine Dämpfung für Brennstoffdichtefluktuationen ergibt.

[0015] Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen teilweise schematisch und nicht maßstäblich:

FIG 1

eine Gasturbine,

FIG 2

einen Gasturbinenbrenner in einem Längsschnitt,

FIG 3

eine Ansicht eines inneren Teils eines Gasturbinenbrenners und

FIG 4

die Ausbildung einer Strömungsscherschicht stromab einer Trennwand zwischen zwei Brennstoff/Luftgemischen.

FIG 5

eine Trennwand mit kanalartigen, geneigten Öffnungen.

[0016] Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

[0017] FIG 1 zeigt eine Gasturbine 1. Die Gasturbine 1 weist einen Verdichter 3, eine Brennkammer 5 und ein Turbinenteil 7 auf. In die Brennkammer 5 mündet ein Brenner 9. Im Betrieb der Gasturbine 1 wird Verbrennungsluft 10 in den Verdichter 3 angesaugt und dort hoch verdichtet. Die Verbrennungsluft 10 wird dann dem Brenner 9 zugeführt, wie auch Brennstoff 13. In der Brennkammer 5 wird das im Brenner 9 erzeugte Brennstoff/Luftgemisch 11 verbrannt. Ein durch die Verbrennung erzeugtes Heißgas 15 wird sodann durch den Turbinenteil 7 geleitet, wobei es die Gasturbine 1 antreibt. Durch Fluktuationen der Dichte- und Brennstoffkonzentration im Brennraum der Brennkammer 5 können Verbrennungsschwingungen durch eine Rückkopplung der Energiefreisetzung bei der Verbrennung und der akustischen Wechselwirkung mit den Kammerwänden aufgebaut werden. Solche Verbrennungsschwingungen können so erheblich werden, dass sie, über eine Lärmbelästigung hinaus, Schäden an der Gasturbine 1 hervorrufen können. Eine Brennerkonfiguration mit verminderter Anfälligkeit hinsichtlich solcher Verbrennungsschwingungen wird im Folgenden beschrieben.

[0018] Die FIG 2 zeigt in einem Längsschnitt einen Gasturbinenbrenner 9. Der Gasturbinenbrenner 9 weist einen ersten Kanal 23 auf, der als ein innerer Ringkanal ein Brennstoff/Luftgemisch 11 gebildet aus Verbrennungsluft 10 und Brennstoff 13 führt. Brennstoff 13 kann auch über eine zentrale Brennstoffdüse 25, insbesondere für eine Öleindüsung eingeleitet werden, während stromauf in den ersten Kanal 23 vorzugsweise Brenngas als Brennstoff eingeleitet wird. Der erste Kanal 23 ist umgeben von einem ebenfalls ringförmigen zweiten Kanal 21. Der zweite Kanal 21 ist als ein Vormischkanal ausgebildet, bei dem über Einlassröhrchen 27 Brennstoff 13 der Verbrennungsluft 10 zugemischt wird. In einem Drallgitter 29 wird dem Brennstoff/Luftgemisch 11 ein Drall aufgeprägt. Das Brennstoff/Luftgemisch 11B homogenisiert sich im zweiten Kanal 21, bevor es in die Verbrennungszone 31 austritt. Hier wird es mit dem Brennstoff/Luftgemisch 11A aus dem ersten Kanal 23 zusammengeführt. Bei dieser Zusammenführung bildet sich eine Strömungsscherschicht 33 aus. Diese Strömungsscherschicht 33 entsteht stromab einer Trennwand 35, die den ersten Kanal 23 und den zweiten Kanal 21 unmittelbar stromauf der Verbrennungszone 31 trennt. Durch die Unterschiede in Impuls, Energie und Brennstoffkonzentration der jeweiligen Brennstoff/Luftgemische 11A, 11B aus dem ersten Kanal 23 und dem zweiten Kanal 21 bilden sich in der Strömungsscherschicht 33 Fluktuationen aus. Diese Fluktuationen können Ausgangspunkt für Verbrennungsschwingungen sein. Zur Verringerung der Fluktuationen wird die Trennwand 35 mit durchgehenden Öffnungen versehen, die ein Austausch von Masse und Brennstoffkonzentration zwischen den Brennstoff/Luftgemischen 11A, 11B im ersten Kanal 23 und zweiten Kanal 21 ermöglichen. Dies wird näher anhand von den folgenden Figuren beschrieben.

[0019] FIG 3 zeigt den inneren Teil des Gasturbinenbrenners 9 aus FIG 2 in einer Ansicht. Dargestellt ist der erste Kanal 23 und die ihn umgebende Trennwand 35. Erkennbar ist ein Drallgitter 41, welches der Aufprägung eines Dralles für das Brennstoff/Luftgemisch 11A im ersten Kanal 23 dient. Im Unterschied zum Drallgitter 29 des zweiten Kanals 21, der hier nicht dargestellt ist, schließt sich die Verbrennungszone 31 stromab des Drallgitters 41 an, während dem Drallgitter 29 des ersten Kanals 21 noch eine Mischstrecke folgt. Die Trennwand 35 ist nun mit Öffnungen 37 versehen. Die Trennwand 35 ist also perforiert ausgeführt. Über diese Öffnungen 37 erfolgt im Betrieb des Gasturbinenbrenners 9 ein Austausch des Brennstoff/Luftgemisches 11A im ersten Kanal 23 und des Brennstoff/Luftgemisches 11B im zweiten Kanal 21. Es werden Masse, Impuls, Energie und Brennstoffkombination ausgetauscht, getrieben durch eine Druckdifferenz zwischen dem ersten Kanal 23 und dem zweiten Kanal 21. Insbesondere liegt im zweiten Kanal 21 ein höherer Druck vor, als im ersten Kanal 23.

[0020] Die Öffnungen 37 können auch mit einer signifikanten Länge als Kanäle ausgebildet sein. Diese Kanäle sind vorzugsweise senkrecht zur Strömungsrichtung an der Trennwand ausgerichtet, können aber auch gegenüber der Strömungsrichtung geneigt sein. Bevorzugt ist eine Neigung dergestalt, dass Brennstoff/Luftgemisch 11B aus dem Vormischkanal 21 in den ersten Kanal 23 geleitet wird, durch eine Stromauf-Neigung der Öffnungen 37 hinsichtlich der Strömung vom ersten Kanal 23 zum zweiten Kanal 21 aber praktisch kein Austausch in dieser Richtung erfolgt. Entsprechend kann auch eine Neigung in umgekehrter Richtung geeignet sein. Dies ist in FIG 5 dargestellt.

[0021] FIG 4 zeigt die Auswirkung der Perforation der Tennwand 35. Über die Öffnungen 37 wird eine Querströmung 39 zwischen dem ersten Kanal 23 und zweiten Kanal 21 ausgebildet. Bei einem höheren Druck im zweiten Kanal 21 führt dies im Wesentlichen zu einer Strömung vom zweiten Kanal 21 zum ersten Kanal 23. Stromab der Trennwand 35 bildet sich bei Zusammenführung der beiden Brennstoff/Luftgemischströme 11A,11B aus dem ersten Kanal 23 und zweiten Kanal 21 eine Strömungsscherschicht 33 aus. Punktiert ist eine Strömungsscherschicht 33A abgebildet, wie sich ohne die Öffnungen 37 in der Trennwand 35 einstellen würde. Ohne die Öffnungen 37 und damit die Querströmungen 39 treffen die beiden Brennstoff/Luftgemische 11A,11B erstmalig stromab der Trennwand 35 mit ihren Unterschieden in der Masse, Energie, Impuls und Brennstoffkonzentration aufeinander.

[0022] Die sich dabei ausbildende vergleichsweise dünne Strömungsscherschicht 33A stellt eine für Fluktuationen anfällige, vergleichsweise strenge Diskontinuität dar. Demgegenüber wird durch den stromauf der eigentlichen Zusammenführung mit den Öffnungen 37 erreichten partiellen Austausch zwischen den Brennstoff/Luftgemischen 11A, 11B im ersten Kanal 23 und dem zweiten Kanal 21 eine Aufdickung der Strömungsscherschicht 33 erreicht. In dieser Strömungsscherschicht 33 haben sich die Brennstoff/Luftgemische 11A, 11B schon zu einem Teil sowohl in Energie und Impuls als auch Brennstoffkonzentration aneinander angeglichen. Die sich ausbildende Strömungsscherschicht 33 ist hierdurch aufgedickt und stellt eine aufgeweichte und nicht mehr so scharfe Diskontinuität dar. Hierdurch kommt es zu einer erheblichen Reduktion von Fluktuationen, d.h. Oszillationen werden sehr viel schneller gedämpft als dies ohne eine perforierte Trennwand 35 der Fall wäre. Dies hat wiederum eine geringe Anfälligkeit im Hinblick auf die Ausbildung von Verbrennungsschwingungen zur Folge.

[0023] In Figur 5 ist eine weitere Möglichkeit aufgezeigt, die perforierte Trennwand 35 zwischen den Brennstoff/Luftgemischen 11A, 11B im ersten Kanal 23 und im zweiten Kanal 21 auszugestalten. Hierbei ist die Trennwand 35 mit kanalartigen und in Strömungsrichtung der Brennstoff/Luftgemische 11A, 11B geneigten Öffnungen 39 versehen. In den ersten Kanal 23 wird Brenngas als Brennstoff eingeleitet. Der zweite Kanal 21 ist als ein Vormischkanal ausgebildet in dem ein Brennstoff/Luftgemisch 11B erzeugt ist. Vorzugsweise strömt das nicht-vorgemischte Brenngas aus dem ersten Kanal 23 durch die geneigten Öffnungen 39 in den zweiten Kanal 21, den Vormischkanal, so dass nicht-vorgemischter Brennstoff zu dem bereits vorgemischten Brennstoff/Luftgemisch 11B überströmt. Durch die Neigung der Öffnungen 39 wird dieses Überströmen begünstigt, so dass der gewünschte Austausch von Masse- und Brennstoffkonzentration zwischen dem ersten und dem zweiten Brennstoff/Luftgemisch 11A/11B erreicht wird.

Ansprüche

1. Brenner (9) mit einem ersten Kanal (23)zur Führung eines ersten Brennstoff/Luftgemisches (11A) und einem zweiten Kanal (21) zur Führung eines zweiten Brennstoff/Luftgemisches(11B), wobei das erste und das zweite Brennstoff/Luftgemisch (11A, 11B) für eine Verbrennung in einer Verbrennungszone (31) unter Bildung einer Strömungsscherschicht (33) zusammen geführt werden und wobei der erste und der zweite Kanal (23, 21) voneinander durch eine Trennwand (35) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (35) Öffnungen (37) so aufweist, dass ein partieller Austausch von Masse und Brennstoffkonzentration zwischen dem ersten und dem zweiten Brennstoff/Luftgemisch (11A, 11B) entsteht.

2. Brenner (9) nach Anspruch 1, bei dem die Öffnungen (37) so dimensioniert sind, dass es durch den Austausch von Masse zu einer Aufdickung der Strömungsscherschicht (33) kommt.

3. Brenner (9) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Brennstoffkonzentration über den Querschnitt des ersten und des zweiten Kanals (23,21) jeweils im Wesentlichen homogen ist.

4. Brenner (9) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal (21) im Querschnitt ringförmig ausgebildet ist und den ersten Kanal (23) umgibt.

5. Brenner (9) nach Anspruch 4,
bei dem der erste Kanal (23) ein Diffusionsbrennerkanal und der zweite Kanal (21) ein Vormischbrennerkanal ist.

6. Brenner (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung als Gasturbinenbrenner.

7. Gasturbine (1) mit einem Brenner (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.

8. Verfahren zum Betrieb eines Brenners (9), bei dem ein erstes Brennstoff/Luftgemisches (11A) und ein zweites Brennstoff/Luftgemisches (11B) unter Bildung einer Strömungsscherschicht (33) in einer Verbrennungszone (31) zusammengeführt und dort verbrannt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass vor der Zusammenführung der Gemische in der Strömungsscherschicht (33) ein partieller Austausch von Masse und Brennstoffkonzentration zwischen den Gemischen erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Austausch von Masse und Brennstoffkonzentration über eine perforierte Trennwand (35) unmittelbar stromauf der Bildung der Strömungsscherschicht (33) erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
bei dem durch den Austausch die Strömungsscherschicht (33) so verbreitert wird, dass sich in der Strömungsscherschicht (33) eine Dämpfung für Brennstoff-Dichte-Fluktuationen.

Zeichnung