(19) |
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(11) |
EP 1 205 713 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
(45) |
Hinweis auf die Patenterteilung: |
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11.07.2007 Patentblatt 2007/28 |
(22) |
Anmeldetag: 26.10.2001 |
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(51) |
Internationale Patentklassifikation (IPC):
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(54) |
Verfahren zur Brennstoffeinspritzung in einem Brenner
Method of fuel injection in a burner
Procédé d'injection de combustible dans un brûleur
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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DE GB |
(30) |
Priorität: |
09.11.2000 DE 10055408
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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15.05.2002 Patentblatt 2002/20 |
(73) |
Patentinhaber: Alstom Technology Ltd |
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5400 Baden (CH) |
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Erfinder: |
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- Paschereit, Christian Oliver, Dr.
5400 Baden (CH)
- Flohr, Peter, Dr.
5400 Baden (CH)
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(56) |
Entgegenhaltungen: :
EP-A- 0 592 717 DE-A- 4 446 945
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EP-A- 1 001 214 DE-A- 19 809 364
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahre u Einspritzung von Brennstoff in
einen Brenner, welcher als Doppelkegelbrenner ausgebildet ist, sowie einen Brenner
zur Durchführung dieses Verfahrens.
STAND DER TECHNIK
[0002] Bei Brennern, welche flüssigen oder gasförmigen Brennstoff einem Brennraum zuführen,
wo der Brennstoff an einer Flammfront verbrennt, treten häufig sogenannte thermoakustische
Schwankungen auf. So auch z.B., aber nicht ausschliesslich, beim sehr erfolgreich
eingesetzten sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er in der
EP 0 321 809 beschrieben ist. Neben der strömungstechnischen Stabilität sind Mischungsbruchschwankungen
ein Hauptgrund für das Auftreten von derartigen thermoakustischen Instabilitäten.
Strömungsmechanische Instabilitätswellen, die am Brenner entstehen, führen zur Ausbildung
von Wirbeln (kohärente Strukturen), die die Verbrennung beeinflussen und zu periodischer
Wärmefreisetzung mit den damit verbundenen Druckschwankungen führen können. Die fluktuierende
Luftsäule im Brenner führt zu Schwankungen im Mischungsbruch mit den damit verbundenen
Schwankungen in der Wärmefreisetzung.
[0003] Diese thermoakustischen Schwingungen stellen eine Gefahr für jede Art von Verbrennungsanwendung
dar. Sie führen zu Druckschwingungen hoher Amplitude, zu einer Einschränkung des Betriebsbereiches
und können die Schadstoffemissionen erhöhen. Dies trifft insbesondere für Verbrennungssysteme
mit geringer akustischer Dämpfung zu. Um in Bezug auf Pulsationen und Emissionen eine
hohe Leistungskonversion über einen weiten Betriebsbereich zu ermöglichen, kann eine
aktive Kontrolle der Verbrennungsschwingungen notwendig sein. Kohärente Strukturen
spielen eine entscheidende Rolle bei Mischungsvorgängen zwischen Luft und Brennstoff.
Die Dynamik dieser Strukturen beeinflusst demzufolge die Verbrennung und damit die
Wärmefreisetzung. Durch Beeinflussung der Scherschicht zwischen dem Frischgasgemisch
und dem rezirkulierten Abgas ist eine Kontrolle der Verbrennungsinstabilitäten möglich
(z. B.
Paschereit et al., 1998, "Structure and Control of Thermoacoustic Instabilities in
a Gas-turbine Bumer", Combustion, Science & Technology, Vol. 138, 213-232). Eine Möglichkeit dazu ist die akustische Anregung (
EP 0 918 152 A1).
[0004] Durch Brennstoffstaging lässt sich die Flammenposition beeinflussen und damit der
Einfluss von Strömungsinstabilitäten als auch Zeitverzugseffekten vermindern.
[0005] Ein weiterer Mechanismus, der zu thermoakustischen Schwingungen führen kann, sind
Schwankungen im Mischungsbruch zwischen Brennstoff und Luft
[0006] In
DE 44 46 945 A1 wird ein Doppelkegelbrenner offenbart, bei dem die Verzugszeit von der Eindüsung
bis zur Verbrennung für alle Brennstoffströme gleich gross ist, so dass hier nachteilig
thermoakustische Schwingungen auftreten. Bei dem in
EP 0 592 717 A1 beschriebenen Vormischbrenner ist die Brennstoffkonzentration am Austritt des Brenners
im Bereich der Brennerachse grösser als die mittlere Brennstoffkonzentration in der
Austrittsebene des Brenners. Damit kann die Brennkammer nahe der mageren Löschgrenze
betrieben werden. Schliesslich ist aus
DE 198 09 364 A1 ein Brenner bekannt, bei welchem über axial verteilte Brennstoffdüsen Brennstoff
eingedüst wird, um die Brennerstabilität durch Dämpfung der Amplitudenänderung zu
verbessern. Der Brenner wird dabei so betrieben, dass es zu einer Entkopplung des
Brennstoffes von der Verbrennung kommt und die dynamische Druckinstabilität in der
Brennkammer verkleinert wird.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0007] Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen Brenne
der Doppelkegelbauart zur Durchführung eines derartigen Verfahrens anzugeben, bei
welchem das Auftreten derartiger thermoakustischer Schwingungen vermindert oder sogar
vermieden wird.
[0008] Es handelt sich dabei um ein Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff in einen Brenner,
welcher Brenner einen von wenigstens einer Schale umschlossenen Innenraum umfasst,
bei welchem Brennstoff durch Brennstoffdüsen in einen im Innenraum strömenden Verbrennungsluftstrom
eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer Verzugszeit
τ zu einer Flammfront in einen Brennraum strömt, und dort entzündet, wobei es sich
beim Brenner (1) um einen Doppelkegelbrenner handelt, bei welchem der Brenner (1)
aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörpern (8,9), welche
in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen, und welche Teilkegelkörper
(8,9) zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die Verbrennungsluft (23) durch
einen Spalt (7) zwischen den Teilkegelkörpern (8,9) in den Innenraum (22) strömt,
gebildet wird. Bei einem derartigen Verfahren werden thermoakustische Schwingungen
erfindungsgemäss verringert oder sogar ganz vermieden, indem der Brennstoff derart
mittels über die gesamte Brennerlänge verteilter und auf den Konusoberflächen der
Teilkegelkörper (8,9) auf einen bestimmten Bereich der Flammfront speisenden Linien
(20) angeordneter Brennstoffdüsen eingedüst wird, dass die Verzugszeit τ zwischen
Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammfront für die verschiedenen
Brennstoffdüsen einer über die Brennerlänge systematisch variierenden Verteilung entspricht,
welche verbrennungsgetriebene Schwingungen vermeidet.
[0009] Bei einem konventionellen Brenner ist erfahrungsgemäss für alle der über die Brennerlänge
verteilten Brennstoffdüsen die Verzugszeit τ zwischen Eindüsungsort und effektiver
Verbrennung an der Flammfront im wesentlichen gleich. Man findet eine von der Eindüsungsposition
unsystematische leichte Variation um einen Mittelwert. Dies führt dazu, dass sich
thermoakustische Schwingungen leicht aufbauen können. Der Kern der Erfindung besteht
nun also darin, den Brennstoff derart in den Verorennungsluftstrom einzudüsen, dass
sich keine im wesentlichen für alle über die gesamte Brennerlänge verteilten Brennstoffdüsen
gleiche Verzugszeit τ zwischen Eindüsungsort und effektiver Verbrennung an der Flammfront
einstellt, sondern dass die Verzugszeit eine über die Brennerlänge systematisch variierende
Verteilung annimmt.
[0010] Ein erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass
der maximale Zeitverzug τ
max zwischen Eindüsungsort und Flammfront im Bereich von τ
max = 5-50 ms liegt, und dass insbesondere bevorzugt bei einer Strömungsgeschwindigkeit
des Brennstoff/Luft-Gemisches im Innenraum im Bereich von 20-50 m/s der maximale Zeitverzug
τ
max im Bereich von τ
max = 5-15 ms liegt, dies unter Berücksichtigung der Verschiebung der Flammfrontposition
in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit. Wird das Verfahren unter derartigen
Bedingungen angewendet, so können die thermoakustischen Schwingungen besonders gut
verringert werden.
[0011] Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Brennstoff derart eingedüst,
dass die Zeitverzugsverteilung über die Brennerlänge zum Brennerende hin vom Maximalwert
τ
max um eine maximale Verzugsdifferenz Δτ im wesentlichen linear abnehmend zu einem Minimalwert
beim Brennerende von τ
max - Δτ gestaltet ist. Diese einfache Verteilung kann mit relativ wenig Aufwand realisiert
werden und zeigt eine effiziente Wirkung. Es zeigt sich, dass bevorzugt die Verzugsdifferenz
Δτ in den Bereich von 10-90% des Maximalwerts τ
max, insbesondere in den Bereich von mehr als 50 % des Maximalwerts τ
max eingestellt wird
[0012] Bei dem Verfahren handelt es sich um einen Doppelkegelbrenner, bei welchem der Brenner
aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörpern, welche in
Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen, und welche Teilkegelkörper
zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die Verbrennungsluft durch einen Spalt
zwischen den Teilkegelkörpern in den Innenraum strömt, gebildet wird. Gerade bei diesem,
bereits oben genannten, vormischartigen Doppelkegelbrenner lässt sich das Verfahren
besonders günstig anwenden.
[0013] Des weiteren betrifft die Erfindung einer Doppelkegelbrenner zur Durchführung des
obigen Verfahrens, bei dem die Brennstoffdüsen auf den Konusoberflächen der Teikegelkörper
auf Linien für einen Bereich der Flammfront angeordnet sind wobei die Brennstoffdüsen
in Gruppen aufgeteilt sind, und wobei jeweils eine Gruppe von Brennstoffdüsen auf
einer Linie derart angeordnet ist, dass alle Brennstoffdüsen einer Gruppe für die
Speisung des gleichen Bereichs in der Flammfront zuständig sind. Insbesondere bevorzugt
werden bei einem derartigen Brenner die Brennstoffdüsen derart verteilt, dass die
Anzahl von Linien grösser ist als die mittlere Anzahl von Brennstoffdüsen einer Gruppe.
Es zeigt sich dabei, dass eine Aufteilung der insgesamt 32 Düsen eines Doppelkegelbrenners
in 8 Gruppen auf 8 Linien mit je 4 Düsen vorteilhaft ist.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
[0014] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit
den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
- Fig. 1a)
- einen konventionellen Doppelkegelbrenner mit typischer Brennstoffeindüsung;
- Fig. 1b)
- die bei einem Brenner nach Fig. 1a) auftretende schematisierte Verzugszeitverteilung
über die Brennerlänge;
- Fig. 2
- eine lineare Verzugszeitverteilung;
- Fig. 3
- eine zweidimensionale Stabilitätsanalyse von Verzugszeitverteilungen;
- Fig. 4a)
- einen Doppelkegelbrenner mit verteilter Brennstoffdüsenanordnung; und
- Fig. 4b)
- mögliche Verzugszeitenverteilungen bei einem Brenner nach Fig. 4a).
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0015] Beeinflusst man den Zeitverzug zwischen der Brennstoffeindüsung und der periodischen
Wärmefreisetzung, d.h. der Flammfront, kann man die Verbrennungsinstabilitäten kontrollieren.
Der Grundgedanke der Erfindung ist, den Zeitverzug τ zwischen der periodischen Wärmefreisetzung
an der Flammfront und der Druckschwankung bei der Eindüsung zu stören, so dass das
Rayleigh-Kriterium
nicht mehr erfüllt ist, d.h. Wärmefreisetzung und Druckmaximum nicht mehr in Phase
sind. Damit ist der treibende Mechanismus für das Auftreten von thermoakustischen
Schwingungen unterbunden. Die Darstellung des Rayleigh-Kriteriums nach Fouriertransformation
im Frequenzbereich zeigt diesen Zusammenhang noch deutlicher:
wobei S
pq das Kreuzspektrum zwischen Druckfluktuationen p' und Fluktuationen der Wärmefreisetzung
q' darstellt und φ
pq die Phasendifferenz. Durch Wahl der korrekten Phasendifferenz zwischen Wärmefreisetzung
(beeinflussbar durch den Zeitverzug) und dem Drucksignal kann der Rayleigh-Index auf
G(x) < 0 eingestellt werden und damit ist das System gedämpft.
[0016] Es zeigt sich nun, dass der Zeitverzug vom Eindüsungsort bei den Brennstoffdüsen
bis zur Flammfront bei bestehenden Vormischbrennern über die gesamte Eindüsungslänge
des
[0017] Vormischgases in bestimmten Betriebspunkten konstant ist. So z.B. bei einem Doppelkegelbrenner
nach dem Stand der Technik wie in Fig. 1a) dargestellt.
[0018] In diesem beispielhaft zu verstehenden Längsschnitt durch einen Doppelkegelbrenner
1, wie er z.B. aus der
EP 0 321 809 bekannt ist, ist der obere Spalt 7 zwischen den beiden konischen Brennerschalen 8
und 9 erkennbar. Die Verbrennungsluft 23 tritt durch diesen Spalt 7 an den über die
Brennerlänge verteilten Brennstoffdüsen 6 vorbei in den Innenraum 22, wobei der Brennstoff
von der vorbeiströmenden Luft 23 erfasst und umschlossen wird. Im Innenraum 22 des
Brenners 1 strömt der Verbrennungsluftstrom unter Ausbildung einer sich in
[0019] Strömungsrichtung ausbreitenden kegelförmigen Brennstoffsäule entlang der Stomlinien
5.
[0020] Das Brennstoff/Luft-Gemisch gelangt dann in den Brennraum 2, wo es an einer Flammfront
3 entzündet.
[0021] Bei einem derartigen Doppelkegelbrenner ist die Verzugszeit τ, die zwischen der Eindüsung
an den Brennstoffdüsen 6 bis zur Entzündung an der Flammfront 3 verstreicht, nahezu
konstant für alle Positionen der Brennstoffdüsen, wie dies in Fig. 1b) schematisch
dargestellt ist (die Koordinate x erstreckt sich dabei vom Ausgang 10 des Brenners
1 zu dessen hinterem Ende, d.h. in der Figur 1a) von rechts nach links). Es kann mit
anderen Worten keine systematische Variation der Verzugszeiten τ in Funktion der Brennstoffdüsenposition
entlang des Brenners 1 beobachtet werden (z.B. kürzere Verzugszeiten für Düsen 6 nahe
beim Brenneraustritt 10), sondern vielmehr eine mehr oder weniger zufällig erscheinende,
um einen Mittelwert nur wenig schwankende Verteilung als Funktion des Eindüsungsortes
x.
[0022] Wie in Fig. 2 dargestellt, wird nun erfindungsgemäss vorgeschlagen, anstelle des
bisher im wesentlichen konstanten Zeitverzugs von der Brennstoffeindüsung 6 bis zur
Flammfront 3 eine Verteilung der Verzugszeit über die Brennerlänge einzustellen. Die
Verteilung wird in einer ersten Wahl so eingestellt, dass die Verzugszeiten τ um eine
Verzugszeitendifferenz Δτ linear variiert, und zwar von einem Minimum τ
max-Δτ zum Maximum im hinteren Brennerbereich von τ
max linear zunehmend.
[0023] In einer zweidimensionalen Darstellung ist in Fig. 3 die Brennerstabilität als Funktion
der Parameter Δτ (x-Achse) und τ
max (y-Achse) für eine Verzugszeitverteilung wie in Fig. 2 angegeben. Als einzelne Messwerte
sind dabei exemplarisch drei Werte für das Verhalten bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten
im Brenner angegeben: für niedrige Strömungsgeschwindigkeit 17, für mittlere Strömungsgeschwindigkeit
18 und für hohe Strömungsgeschwindigkeit 19. Allgemein zeigt es sich, dass sich zwei
grundsätzlich instabile, hier schraffierte Bereiche ausbilden. Auf der einen Seite
ein unstabiler Bereich 16 kurzer Verzugszeiten.
[0024] Fast unabhängig von der Wahl von Δτ ist der Brenner hier nicht akustisch stabil für
derart hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Ein zweiter, inselartiger Bereich 13 unstabilen
Verhaltens findet sich für niedrige Geschwindigkeiten, d.h. hohe Werte von τ
max, und für kleine Werte von Δτ.
[0025] Es ist nun leicht erkennbar, dass sich die Stabilität eines Brenners, der mit seinen
typischen Betriebswerten meist nahe der Insel 13 arbeitet, sowohl durch eine Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit gemäss Pfeil 15 stabilisiert werden kann, als auch durch
eine Erhöhung der Verzugszeitendifferenz Δτ, d.h. durch eine Verschiebung des Betriebspunktes
in der Graphik gemäss Pfeil 14 nach rechts. Da aus praktischen Gründen der Wert von
τ
max nicht einfach immer in den stabilen niedrigen Bereich gem. 15 verschoben werden kann,
ist eine Verschiebung mittels Einstellung erhöhter Verzugseitendifferenzen Δτ, d.h.
über stärker gespreizte Verzugszeiten, oftmals eine effiziente und realisierbare Alternative.
[0026] Typischerweise liegen die Verzugszeiten bei Brennern im Bereich von τ = 5-50 ms,
bei Doppelkegelbrennern normalerweise im Bereich von 5-15 ms bei Strömungsgeschwindigkeiten
von 10-50 m/s. Δτ kann nun in einem weiten Bereich variiert werden, typischerweise
finden aber Variationen von Δτ = 0.5 τ
max Anwendung, bei Doppelkegelbrennern erweist sich eine Variation von Δτ ≥ 0.5 τ
max als besonders vorteilhaft.
[0027] Technisch realisieren lässt sich eine derartige Verteilung an einem als Ausführungsbeispiel
dienenden Doppelkegelbrenner wie bereits in Fig. 1 dargestellt über eine einfache
Modifikation der Brennstoffeinspritzung in den Verbrennungsluftstrom 23. Die Brennstoffdüsen
6 werden hier nicht mehr unmittelbar an der Spalte 7 zwischen den beiden Schalen 8
und 9 angeordnet, sondern werden auf resp. in die Konusoberflächen der Elemente 8
und 9 eingelassen, und dadurch systematisch die Verzugszeiten eingestellt. Die Brennstoffdüsen
6 können dafür in Gruppen aufgeteilt werden, und jeweils die Brennstoffdüsen einer
Gruppe werden dabei auf Linien 20 angeordnet, die den Stromlinien entlang der Brennerkontur
folgen. Düsen einer Gruppe speisen einen bestimmten Bereich der Flammfront, allerdings
mit unterscheidlicher Verzugszeit τ zwischen Moment der Eindüsung und Ankunft an der
Flammfront 3. Dabei ist es von Vorteil, möglichst viele Gruppen zu bilden um zusätzliche
zur Streuung des Zeitverzugs eine gleichmässig vertieilte Flamme auszubilden. Bei
der für Doppelkegelbrenner wegen des Druckabfalls typischen Zahl von 32 Düsen, ist
z.B. eine Aufteilung auf 8 Gruppen, deren jeweils 4 Düsen (je zwei pro Konus 8 resp.
9) auf 8 Linien gleichen Zeitverzugs angeordnet werden, geeignet, um die thermoakustischen
Schwingungen zu verhindern.
[0028] Eine Anordnung der Brennstoffdüsen 6 auf derartigen Linien 20 erlaubt nun die Einstellung
von Verzugszeitenverteilungen in einem ganzen Bereich 21, wie sie in Fig. 4b) dargestellt
ist. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen der Brennstoffdüsen an resp.
in einem Brenner möglich, welche zu einer gezielten, thermoakustische Schwingungen
verhindernden systematischen Verteilung der Verzugszeiten führen, und das vorgestellte
Ausführungsbeispiel sowie die angegebenen, im wesentlichen linearen Verteilungen sind
nur beispielhaft zu verstehen.
BEZEICHNUNGSLISTE
[0029]
- 1
- Doppelkegelbrenner
- 2
- Brennraum
- 3
- Flammfront
- 4
- Wand des Brennraums
- 5
- Stromlinien des Brennstoff/Luft Gemisches
- 6
- Brennstoffdüsen
- 7
- Spalt zwischen den konischen Brennerschalen
- 8
- Innere konische Brennerschale bei 7
- 9
- Äussere konische Brennerschale bei 7
- 10
- Vorderes Ende des Doppelkegelbrenners
- 11
- Konstanter Zeitverzug
- 12
- Zeitverzugsverteilung
- 13
- Unstabiler Bereich hoher Verzugszeiten
- 14
- Stabilisierende Verschiebung nach grossen Verteilungsbreiten
- 15
- Stabilisierende Verschiebung nach kurzen Verzugszeiten
- 16
- Unstabiler Bereich kurzer Verzugszeiten
- 17
- Verhalten bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit
- 18
- Verhalten bei mittlerer Strömungsgeschwindigkeit
- 19
- Verhalten bei hoher Strömungsgeschwindigkeit
- 20
- Linien für gleichen Bereich der Flammfront
- 21
- Einstellbarer Zeitverzugsbereich
- 22
- Innenraum
- 23
- Verbrennungsluftstrom
1. Verfahren zur Einspritzung von Brennstoff in einen Brenner (1), welcher Brenner (1)
einen von wenigstens einer Schale (8,9) umschlossenen Innenraum (22) umfasst, bei
welchem Brennstoff durch Brennstoffdüsen (6) in einen im Innenraum (22) strömenden
Verbrennungsluftstrom (23) eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch
innerhalb einer Verzugszeit (τ) zu einer Flammfront (3) in einen Brennraum (2) strömt,
und dort entzündet, wobei es sich beim Brenner (1) um einen Doppelkegelbrenner handelt,
bei welchem der Brenner (1) aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen
Teilkegelkörpern (8,9), welche in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen,
und welche Teilkegelkörper (8,9) zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die
Verbrennungsluft (23) durch einen Spalt (7) zwischen den Teilkegelkörpern (8,9) in
den Innenraum (22) strömt, gebildet wird, wobei
der Brennstoff derart mittels über die gesamte Brennerlänge verteilter und auf den
Konusoberflächen der Teilkegelkörper (8,9) auf einen bestimmten Bereich der Flammfront
speisenden Linien (20) angeordneter Brennstoffdüsen (6) eingedüst wird, dass die Verzugszeit
(τ) zwischen Eindüsung des Brennstoffs und dessen Verbrennung an der Flammfront (3)
für die verschiedenen Brennstoffdüsen einer über die Brennerlänge systematisch variierenden
Verteilung (12) entspricht, welche verbrennungsgetriebene Schwingungen vermeidet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Zeitverzug (τmax) zwischen Eindüsungsort (6) und Flammfront (3) im Bereich von τmax = 5-50 ms liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Gemisches im Innenraum im
Bereich von 20-50 m/s der maximale Zeitverzug (τmax) im Bereich von τmax = 5 - 15 ms liegt.
4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff derart eingedüst wird, dass die Zeitverzugsverteilung (12) über die
Brennerlänge zum Brennerende (10) hin vom Maximalwert τmax um eine maximale Verzugsdifferenz (Δτ) im wesentlichen linear abnehmend zu einem
Minimalwert beim Brennerende (10) von τmax - Δτ gestaltet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzugsdifferenz (Δτ) im Bereich von 10-90% des Maximalwerts (τmax), insbesondere im Bereich von mehr als 50 % des Maximalwerts (τmax) liegt.
6. Brenner (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
der Brenner (1) einen von wenigstens einer Schale (8,9) umschlossenen Innenraum (22)
umfasst, bei welchem Brennstoff mittels entlang der gesamtem Brennerlänge angeordneter
Brennstoffdüsen (6) in einen im Innenraum (22) strömenden Verbrennungstuftstrom (23)
eingedüst wird, das entstehende Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb einer Verzugszeit
(τ) zu einer Flammfront (3) in einen Brennraum (2) strömt, und dort entzündet, wobei
es sich beim Brenner (1) um einen Doppelkegelbrenner handelt, bei welchem der Brenner
(1) aus mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörpern (8,9) die
zueinander versetzt angeordnet sind, so dass die Verbrennungsluft (23) durch einen
Spalt (7) zwischen den Teilkegelkörpern (8,9) in den Innenraum (22) strömt, gebildet
wird, wobei die Brennstoffdüsen auf den Konusoberflächen der Teilkegelkörper (8,9)
auf einen bestimmten Bereich der Flammfront speisenden Linien (20) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkegelkörper (8, 9) in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen.
7. Brenner (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (6) in Gruppen aufgeteilt sind, wobei jeweils eine Gruppe von
Brennstoffdüsen (6) auf einer Linie (20) derart angeordnet ist, dass alle Düsen (6)
der Gruppe einen bestimmten Bereich der Flammfront (3) mit unterschiedlichem Zeitverzug
(τ) speisen.
8. Brenner (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Linien (20) grösser ist als die mittlere Anzahl von Brennstoffdüsen
(6) einer Gruppe.
9. Brenner (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner insgesamt 32 Düsen aufweist, welche in 8 Gruppen auf 8 Linien (20) mit
je 4 Düsen aufgeteilt sind.
1. Method for injecting fuel into a burner (1), which burner (1) comprises an interior
space (22) which is enclosed by at least one shell (8, 9), in which fuel is injected
through fuel nozzles (6) into a combustion air flow (23) which flows in the interior
space (22), the resulting fuel/air mixture, within a delay time (τ), flows towards
a flame front (3) into a combustion chamber (2), and ignites there, wherein the burner
(1) is a double-cone burner, in which the burner (1) is formed from at least two hollow
partial cone bodies (8, 9), which are positioned one upon the other and which in the
flow direction have an increasing cone inclination, and which partial cone bodies
(8, 9) are arranged in an offset manner in relation to each other, so that the combustion
air (23) flows into the interior space (22) through a gap (7) between the partial
cone bodies (8, 9), wherein
the fuel is injected by means of fuel nozzles (6), which are distributed over the
entire length of the burner and arranged on the cone surfaces of the partial cone
bodies (8, 9) on lines (20) which feed a defined region of the flame front, in such
a way that the delay time (τ) between injection of the fuel and its combustion in
the flame front (3) for the different fuel nozzles corresponds to a distribution (12)
which systematically varies over the length of the burner, which avoids combustion-driven
oscillations.
2. Method according to Claim 1, characterized in that the maximum time delay (τmax) between injection location (6) and flame front (3) is in the region of τmax= 5 - 50 ms.
3. Method according to Claim 2, characterized in that at a flow velocity of the fuel/air mixture in the interior space in the region of
20 - 50 m/s, the maximum time delay (τmax) is in the region of τmax = 5 - 15 ms.
4. Method according to one of the above claims, characterized in that the fuel is injected in such a way that the time delay distribution (12) over the
length of the burner is designed in a way in which it basically linearly decreases
towards the burner end (10) from the maximum value τmax by a maximum delay difference (Δτ) to a minimum value at the burner end (10) of Tmax - Δτ.
5. Method according to Claim 4, characterized in that the delay difference (Δτ) is in the region of 10 - 90% of the maximum value (τmax), especially in the region of more than 50% of the maximum value (τmax).
6. Burner (1) for implementing a method according to one of Claims 1 to 5, wherein the
burner (1) comprises an interior space (22) which is enclosed by at least one shell
(8, 9), in which fuel is injected by means of fuel nozzles (6), which are arranged
along the entire length of the burner, into a combustion air flow (23) which flows
in the interior space (22), the resulting fuel/air mixture within a time delay (τ)
flows towards a flame front (3) into a combustion chamber (2), and ignites there,
wherein the burner (1) is a double-cone burner, in which the burner (1) is formed
from at least two hollow partial cone bodies (8, 9) which are positioned one upon
the other and which are arranged in an offset manner in relation to each other, so
that the combustion air (23) flows into the interior space (22) through a gap (7)
between the partial cone bodies (8, 9), wherein the fuel nozzles are arranged on the
cone surfaces of the partial cone bodies (8, 9) on lines (20) which feed a defined
region of the flame front, characterized in that the partial cone bodies (8, 9) have an increasing cone inclination in the flow direction.
7. Burner (1) according to Claim 6, characterized in that the fuel nozzles (6) are divided into groups, wherein one group of fuel nozzles (6)
is arranged on a line (20) in each case in such a way that all the nozzles (6) of
the group feed a defined region of the flame front (3) with a different time delay
(τ).
8. Burner (1) according to Claim 7, characterized in that the number of lines (20) is greater than the average number of fuel nozzles (6) of
a group.
9. Burner (1) according to Claim 8, characterized in that the burner has altogether 32 nozzles, which are divided into 8 groups on 8 lines
(20) with 4 nozzles each.
1. Procédé d'injection de combustible dans un brûleur (1), lequel brûleur (1) comprend
un espace interne (22) entouré par au moins une coque (8, 9), du combustible étant
injecté par des buses à combustible (6) dans un courant d'air comburant (23) affluant
dans l'espace interne (22), le mélange air/combustible ainsi formé s'écoulant, en
l'espace d'un temps de retard (τ), jusqu'à un front de flamme (3) dans une chambre
de combustion (2) et s'y enflammant, le brûleur (1) étant un brûleur à double cône,
le brûleur (1) se composant d'au moins deux corps coniques partiels creux positionnés
l'un sur l'autre (8, 9) qui présentent, dans la direction de l'écoulement, une pente
conique croissante, et qui sont disposés de manière décalée l'un par rapport à l'autre,
de sorte que l'air comburant (23) s'écoule dans l'espace interne (22) par une fente
(7) entre les corps coniques partiels (8, 9),
le combustible étant injecté au moyen de buses à combustible (6) réparties sur toute
la longueur du brûleur et disposées sur les surfaces coniques des corps coniques partiels
(8, 9) sur une plage définie de lignes (20) alimentant le front de flamme, de telle
sorte que le temps de retard (τ) entre l'injection du combustible et sa combustion
au front de flamme (3) corresponde, pour les différentes buses à combustible, à une
répartition (12) variant systématiquement sur la longueur du brûleur, qui évite des
oscillations provoquées par la combustion.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le retard maximal (τmax) entre le lieu d'injection (6) et le front de flamme (3) est compris dans la plage
de τmax = 5-50 ms.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour une vitesse d'écoulement du mélange air/combustible dans l'espace interne dans
la plage de 20-50 m/s, le retard maximal (τmax) est compris dans la plage de τmax = 5-15 ms.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le combustible est injecté de telle sorte que la répartition retardée dans le temps
(12) est configurée sur la longueur du brûleur jusqu'à l'extrémité du brûleur (10)
depuis la valeur maximale τmax avec une différence de retard maximale (Δτ) essentiellement en décroissance linéaire
jusqu'à une valeur minimale à l'extrémité du brûleur (10) de τmax - Δτ.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la différence de retard (Δτ) est comprise dans la plage de 10-90% de la valeur maximale
(τmax), notamment dans la plage de plus de 50% de la valeur maximale (τmax).
6. Brûleur (1) pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 5, le brûleur (1) comprenant un espace interne (22) entouré par au moins une coque
(8, 9), du combustible étant injecté au moyen de buses à combustible (6) disposées
le long de toute la longueur du brûleur dans un courant d'air comburant (23) affluant
dans l'espace interne (22), le mélange air/combustible ainsi formé s'écoulant, en
l'espace d'un temps de retard (τ), jusqu'à un front de flamme (3) dans une chambre
de combustion (2) et s'y enflammant, le brûleur (1) étant un brûleur à double cône,
le brûleur (1) se composant d'au moins deux corps coniques partiels creux positionnés
l'un sur l'autre (8, 9) qui sont disposés de manière décalée l'un par rapport à l'autre,
de sorte que l'air comburant (23) afflue dans l'espace interne (22) par une fente
(7) entre les corps coniques partiels (8, 9), les buses à combustible étant disposées
sur les surfaces coniques des corps coniques partiels (8, 9) sur une plage définie
des lignes (20) alimentant le front de flamme, caractérisé en ce que les corps coniques partiels (8, 9) présentent, dans la direction de l'écoulement,
une pente conique croissante.
7. Brûleur (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que les buses à combustible (6) sont divisées en groupes, un groupe de buses à combustible
(6) étant à chaque fois disposé sur une ligne de telle sorte que toutes les buses
(6) du groupe alimentent une région définie du front de flamme (3) avec un retard
différent (τ).
8. Brûleur (8) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le nombre de lignes (20) est supérieur au nombre moyen des buses à combustible (6)
d'un groupe.
9. Brûleur (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le brûleur présente au total 32 buses qui sont réparties en 8 groupes sur 8 lignes
(20) comprenant chacune 4 buses.
IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
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In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente
In der Beschreibung aufgeführte Nicht-Patentliteratur
- PASCHEREIT et al.Structure and Control of Thermoacoustic Instabilities in a Gas-turbine BumerCombustion,
Science & Technology, 1998, vol. 138, 213-232 [0003]