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EP 2 037 172 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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02.04.2014 Patentblatt 2014/14 |
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Anmeldetag: 05.09.2008 |
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Internationale Patentklassifikation (IPC):
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Gasturbinenmagerbrenner mit Kraftstoffdüse mit kontrollierter Kraftstoffinhomogenität
Gas turbine manager furnace with fuel nozzle with controlled fuel homogeneity
Brûleur maigre de turbine à gaz doté d'une buse à carburant ayant une homogénéité
de carburant contrôlée
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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DE FR GB |
(30) |
Priorität: |
13.09.2007 DE 102007043626
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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18.03.2009 Patentblatt 2009/12 |
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Patentinhaber: Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG |
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15827 Blankenfelde-Mahlow (DE) |
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Erfinder: |
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- Rackwitz, Leif
15834 Rangsdorf (DE)
- Bagchi, Imon Kalyan
10963 Berlin (DE)
- Dörr, Thomas
12167 Berlin (DE)
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(74) |
Vertreter: Weber, Joachim |
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Hoefer & Partner
Patentanwälte
Pilgersheimer Strasse 20 81543 München 81543 München (DE) |
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Entgegenhaltungen: :
WO-A1-98/55800 DE-A1-102005 062 079 US-A1- 2005 115 244
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WO-A1-99/06767 US-A1- 2005 050 895
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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). |
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasturbinenmagerbrenner gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
[0002] Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Kraftstoffdüse mit kontrollierter
Kraftstoffinhomogenität, welche die Möglichkeit schafft, den Kraftstoff in für die
Verbrennung optimaler Weise einzubringen.
[0003] Zur Senkung der thermisch bedingten Stickoxidemissionen sind unterschiedliche Konzepte
für Brennstoffdüsen bekannt. Eine Möglichkeit besteht in dem Betrieb von Brennern
mit einem hohen Luft-Brennstoff-Überschuss. Hier wird das Prinzip ausgenutzt, dass
infolge eines mageren Gemisches und bei gleichzeitiger Gewährleistung einer ausreichenden
räumlichen Homogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches eine Senkung der Verbrennungstemperaturen
und damit der thermisch bedingten Stickoxide ermöglicht wird. Bei vielen derartigen
Brennern wird zudem eine sogenannte interne Kraftstoffstufung angewendet. Dies bedeutet,
dass neben einer für niedrige NOx-Emissionen ausgelegte Hauptkraftstoffeinspritzung
noch eine sogenannte Pilotstufe in den Brenner integriert ist, die mit einem erhöhten
Kraftstoff-Luft-Anteil betrieben wird und die Stabilität der Verbrennung, einen ausreichenden
Brennkammerausbrand sowie ausreichende Zündeigenschaften gewährleisten soll (siehe
Fig. 1). Die Hauptstufe der bekannten sogenannten Magerbrenner ist häufig als sogenannter
Filmleger ausgebildet (
US 2006/0248898 A1). Neben den Filmlegervarianten sind auch einige Eindüsungsmethoden mit Einzelstrahleinspritzung
bekannt, die einen hohen Homogenisierungsgrad der anfänglichen Kraftstoffverteilung
und/oder eine hohe Eindringtiefe des eingespritzten Kraftstoffs gewährleisten sollen
(
US 2004/0040311 A1).
[0004] Ein weiteres Merkmal bekannter Brenner ist das Vorhandensein von sogenannten Stabilisatorelementen,
die zur Stabilisierung von Flammen in Brennkammern verwendet werden (siehe Fig. 2).
Häufigste Anwendung sind neben Stromlinienkörpern vor allem sogenannte Bluff-Body-Geometrien,
die z.B. als Stauscheiben oder auch V-förmig angeordnete Stabilisatoren ausgebildet
sein können (z.B.
US 4445339 und
WO 10/860659). Durch die Platzierung eines Staukörpers in die Strömung wird die Strömungsgeschwindigkeit
im Nachlauf des Stabilisators reduziert. Die Strömung erfährt am Rand des Staukörpers
eine starke Beschleunigung, so dass infolge des hohen Druckgradienten stromab des
Staukörpers eine Ablösung der Grenzschicht auftritt, verbunden mit der Ausbildung
eines rezirkulierenden Wirbelsystems im Nachlauf des Staukörpers. Befindet sich am
Rand der Rezirkulationszone ein verbrennungsfähiges Gemisch bzw. sind in der Umgebung
des Staukörpers bereits heiße Verbrennungsprodukte vorhanden, steigt durch das Eindringen
eines zündfähiges Gemisches bzw. der heißen Verbrennungsprodukte in die Rezirkulationszone
die Wahrscheinlichkeit für eine Annäherung der Flammengeschwindigkeit an die Strömungsgeschwindigkeit.
[0005] Für die bekannten Brennerkonzepte ist die lokale Kraftstoff-Luft-Mischung nicht kontrolliert
einstellbar. Insbesondere bei den bereits angesprochenen Filmlegerkonzepten besteht
das Problem, dass mit einer angestrebten homogenen axialen und umfangsmäßigen Beladung
des Kraftstoffs auf dem Filmleger zwar eine sehr gute Kraftstoff-Luft-Mischung mit
im Mittel niedrigen Verbrennungstemperaturen und damit niedrigen NOx-Emissionen erreicht
werden kann, allerdings kann die für Hochlastbedingungen angestrebte homogene Gemischbildung
bei Teillastbedingungen infolge einer ungenügenden Kraftstoffbeladung auf dem Filmleger
zu einer deutlichen Verschlechterung des Brennkammerausbrandes führen (siehe Fig.
6). Hintergrund ist die mit mageren Gemischen verbundene verringerte Wärmefreisetzung
sowie die Eigenschaft zur lokalen Flammenverlöschung bei sukzessiver Reduktion des
Kraftstoffs und geringem Brennkammerdruck und -temperatur.
[0006] Auch hinsichtlich der Flammenverankerung mittels der bekannten Stabilisatoren sind
Nachteile vorhanden. Allgemein lässt sich über die Dimension des Flammenhalters, wie
z.B. den äußeren Durchmesser und den Widerstandsbeiwert der Strömungsblockage, eine
Einstellung der Größe der Rezirkulation im Nachlauf des Stabilisators erzielen. Eine
Anwendung für einen Flammenhalter für einen schadstoffarmen Magerbrenner ist z.B.
aus (
US 6 272 840 B1) bekannt. Nachteil einer solchen Anwendung ist jedoch, dass mit Hilfe der gewählten
Geometrie des Flammenstabilisators nur eine bestimmte Strömungsform einstellbar und
die Scherschicht zwischen der beschleunigten und der verzögerten Strömung durch sehr
hohe Turbulenz gekennzeichnet ist. Für einen derartigen Flammenstabilisator mit V-förmiger
Geometrie ist bekannt, dass durch die Ausbildung einer starken Strömungsbeschleunigung
("Jet") im Nachlauf eines zentral auf der Brennerachse angeordneten Pilotbrenners
eine hohe Magerverlöschstabilität der Flamme erzielt werden kann. Dies wird durch
eine kontinuierliche Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit des Pilotstrahls weiter
stromab, die Ausbildung einer Rezirkulation im Nachlauf des Flammenstabilisators und
die Rückführung von heißen Verbrennungsgasen stromauf in die Nähe des Stabilisators
erreicht (siehe Fig. 3). Allerdings können mit dieser Flammenstabilisierung oftmals
erhöhte Ruß- und Stickoxid-Emissionen (NOx) auftreten. Diese Strömungsform kann beispielsweise
durch einen kleinen Austrittsdurchmesser A = A1 für den inneren Schenkel des Flammenstabilisators
erreicht werden.
[0008] Eine andere Strömungsform zeichnet sich durch ein sog. "Aufklappen" der Strömung
und der Ausbildung eines Rezirkulationsgebietes auf der Brennerachse aus (siehe Fig.
4). Dieser Effekt des "Aufklappens" der Strömung und der Ausbildung einer großen Rückströmzone
auf der Brennerachse kann durch eine Vergrößerung des Austrittsdurchmessers A = A2
erreicht werden. Neben der zentralen Rezirkulation ist bei dieser Variante des Flammenstabilisators
zusätzlich ein abgeschwächtes Rezirkulationsgebiet im Nachlauf des Stabilisators vorhanden.
Als Konsequenz dieser Anordnung werden geringere Ruß- und NOx-Emissionen begünstigt,
jedoch bei gleichzeitiger Verringerung der Flammenstabilität gegenüber Magerverlöschen.
[0009] Aus den beschriebenen Effekten ist zu erkennen, dass mit den bisher bekannten Flammenstabilisatorgeometrien
nur eine spezifische Strömungsform einstellbar ist, die jedoch nur zur Verbesserung
einiger Betriebsparameter, wie z.B. der Magerverlöschstabilität beiträgt, während
gleichzeitig eine Verschlechterung anderer Betriebsparameter, wie z.B. der Ruß- und
NOx-Emissionen, zu beobachten ist.
[0010] Aus der
WO 98/55800 A1 ist eine duale Kraftstoffeinspritzung eines Gasturbinenmagerbrenners bekannt, bei
welcher die Hauptkraftstoffeinspritzung Ausnehmungen umfasst, welche am Umfang verteilt
sind und zur Brennerachse sowie in Umfangsrichtung geneigt angeordnet sind. Eine ähnliche
Ausgestaltung zeigt die
US 2005/115244 A1.
[0011] Aus der
US 2005/0050895 A1 ist ein Brenner einer Gasturbine vorbekannt, bei welchem die Achsen der Kraftstoffeinspritzausnehmungen
zur Brennerachse beziehungsweise in Umfangsrichtung angestellt ausgebildet sind.
[0012] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasturbinenmagerbrenner der eingangs
genannten Art zu schaffen, welcher bei einfachem Aufbau unter Vermeidung der Nachteile
des Standes der Technik geringe Schadstoffemissionen, eine verbesserte Flammenstabilität
und einen hohen Brennkammerausbrand aufweist.
[0013] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Lösung.
[0014] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit
der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
- Fig. 1:
- Stand der Technik, Brenner für eine Fluggasturbine (US 6 543 235 B1);
- Fig. 2:
- Stand der Technik, Beispiel eines konventionell ausgebildeten Flammenstabilisators
mit V-Form Geometrie (US 6 272 840 B1);
- Fig. 3:
- Stand der Technik, Berechnete Strömungsform in Abhängigkeit vom Austrittsdurchmesser
des inneren Schenkels des Flammenstabilisators, Beispiel für eine Brennkammerströmung
mit ausgeprägter dezentra- ler Rezirkulation im Nachlauf des Flammenstabilisa- tors
infolge eines kleinen Austrittsdurchmessers A = A1;
- Fig. 4:
- Stand der Technik, Berechnete Strömungsform in Abhängigkeit vom Austrittsdurchmesser
des inneren Schenkels des Flammenstabilisators, Beispiel für eine Brennkammerströmung
mit zentraler Rezirkulation und deutlich verkleinertem Rezirkulationsgebiet im Nachlauf
des Flammenstabilisators infolge eines ver- größerten Austrittsdurchmessers A = A2;
- Fig. 5:
- Berechnete "gemischte" Strömungsform mit zentraler Rezirkulation sowie ausgeprägter
dezentraler Rezir- kulation im Nachlauf eines konturierten Flammensta- bilisators
infolge eines im Umfang veränderlichen Austrittsdurchmessers des Flammenstabilisators
A1 < A ≤ A2;
- Fig. 6:
- Brennkammerausbrand vs. Brennstoffanteil des Pilot- brenners, Schematische Darstellung
des Ausbrandver- haltens für einen Filmleger sowie für eine diskrete Kraftstoffstrahleindüsung
für die Hauptstufe des Ma- gerbrenners bei Teillastbedingungen;
- Fig. 7:
- Hauptkomponenten für den erfindungsgemäßen Magerbrenner, Ausführungsvariante mit diskretem
Kraftstoffeintrag des Hauptkraftstoffs über Einzel- bohrungen an der inneren Oberfläche
der Hauptkraft- stoffeinspritzung sowie mit blütenförmiger Geometrie für den inneren
Schenkel des Flammenstabilisators;
- Fig. 8:
- Hauptkomponenten für den erfindungsgemäßen Magerbrenner, Ausführungsvariante mit diskretem
Kraftstoffeintrag des Hauptkraftstoffs über einen Filmspalt an der inneren Oberfläche
der Hauptkraft- stoffeinspritzung sowie mit blütenförmiger Geometrie für den inneren
Schenkel des Flammenstabilisators;
- Fig. 9:
- Berechnete Umfangsverteilung der Kraftstoff-Luft- Verteilung im Nachlauf der Hauptkraftstoffeinsprit-
zung des Brenners: Ausführungsform mit gezielter In- homogenität des Kraftstoffeintrags
durch angestellte diskrete Kraftstoffbohrungen (Beispiel, n = 24);
- Fig. 10:
- Hauptstufe des erfindungsgemäßen Brenners: Darstel- lung der berechneten Strahleindringung
in den mitt- leren Strömungskanal;
- Fig. 11:
- Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners mit Darstellung der Anstellung
der Kraftstoffbohrun- gen in axialer Richtung δ1 sowie Anstellung der inne- ren stromabseitigen
Oberfläche der Hauptkraftstoff- einspritzung β;
- Fig. 12:
- Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners mit Darstellung der Anstellung
der Kraftstoffbohrun- gen in Umfangsrichtung δ2;
- Fig. 13:
- Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners mit filmartiger Platzierung des
Hauptkraftstoffs mit lokalen Kraftstoffanreicherungen, schematische Dar- stellung
der stromaufseitigen Zumessung des Haupt- kraftstoffs über Einzelbohrungen;
- Fig. 14:
- Ausführungsform für einen Flammenstabilisator mit Konturierung der Austrittsgeometrie
des inneren Schenkels, blütenförmige Geometrie;
- Fig. 15:
- Weitere Ausführungsform für einen Flammenstabilisa- tor mit stärkerer Konturierung
der Austrittsgeomet- rie des inneren Schenkels, blütenförmige Geometrie;
- Fig. 16:
- Weitere Ausführungsform für einen Flammenstabilisa- tor mit Konturierung der Austrittsgeometrie
des in- neren Schenkels, blütenförmige Geometrie mit gegenü- berliegender asymmetrischer
Variation des Austritts- durchmessers;
- Fig. 17:
- Weitere Ausführungsform für einen Flammenstabilisa- tor mit Konturierung der Austrittsgeometrie
des in- neren Schenkels, exzentrische Austrittsgeometrie;
- Fig. 18:
- Ausführungsform für einen Flammenstabilisator mit variabler Austrittsgeometrie, Darstellung
von Posi- tionierungsmöglichkeiten von variablen Geometrieelementen (z.B. Piezo- oder
Bi-Metall-Ele- mente) in den unteren und oberen Schenkel des Flam- menstabilisators,
und
- Fig. 19:
- eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Bren- ners mit filmartiger Platzierung
des Hauptkraft- stoffs mit lokalen Kraftstoffanreicherungen durch Turbulatoren stromab
des Filmspalts.
[0015] Erfindungsgemäß ist ein mit Luftüberschuss betriebener Brenner (siehe Fig. 7) geschaffen,
der eine Pilot- 17 und eine Hauptkraftstoffeinspritzung 18 besitzt. Innerhalb der
Hauptstufe wird die Einstellung einer gezielten Inhomogenität der Kraftstoff-Luft-Mischung
angestrebt. Ziel ist es, eine lastabhängige Variation der Kraftstoffplatzierung in
der Hauptstufe des vorgeschlagenen Magerbrenners zu erreichen, um damit den Grad der
lokalen Kraftstoff-Luft-Mischung zu beeinflussen. Hintergrund ist, dass eine hohe
Gemischhomogenisierung einerseits die Bildung von niedrigen NOx-Emissionen begünstigt,
andererseits eine verringerte Gemischhomogenisierung durch gezielte Ausbildung lokal
fetter Gemischzonen vorteilhaft für die Erreichung eines hohen Ausbrandes der Brennkammer
insbesondere bei Teillastbedingungen ist. Die zum Teil konkurrierenden Eigenschaften
sollen durch die Methode der lastabhängigen Kraftstoffinhomogenität optimiert werden.
Weiterhin zeichnet sich der Brenner durch einen neuartigen Flammenstabilisator zwischen
dem inneren und mittleren Strömungskanal aus, der neben der Methode zur lokalen lastabhängigen
Kraftstoffanreicherung zu einer verbesserten Strömungsführung innerhalb der Brennkammer
insbesondere hinsichtlich der Interaktion der Pilot- und Hauptströmung führen soll.
[0016] Kontrollierte Kraftstoffinhomogenität durch eine diskrete Strahleindüsung:
Als bevorzugte Methode zur Einstellung von lokalen Kraftstoffinhomogenitäten wird
eine diskrete Strahleindüsung über mehrere Kraftstoffbohrungen n für die Hauptstufe
eines Magerbrenners vorgeschlagen. Vorzugsweise sind zwischen n = 8 und n = 40 Bohrungen
vorgesehen. Die Bohrungen können dabei gleichmäßig als auch ungleichmäßig im Umfang
verteilt sein. Weiterhin ist eine einreihige als auch mehrreihige sowie gestaffelte
Anordnung der Bohrungen möglich. Über geeignete konstruktive Maßnahmen kann eine kontrollierte
Einstellung der Eindringtiefe der diskreten Kraftstoffstrahlen und damit der Güte
der lokalen Kraftstoff-Luft-Mischung erreicht werden. Der größte Druckabfall in der
Hauptkraftstoffleitung und damit der die Zumessung des Kraftstoffs bestimmende Querschnitt
befindet sich an bzw. in der Nähe der inneren Oberfläche der Hauptstufe 19. Die diskrete
Eindüsung des Kraftstoffs über Bohrungen erfolgt unter einem bestimmten Winkel zur
Brennerachse radial nach innen in den mittleren Strömungskanal 15. Die Eindüsung des
Kraftstoffs der Hauptstufe kann dabei sowohl an der stromauf- als auch stromabseitigen
Oberfläche der Hauptkraftstoffeinspritzung erfolgen 38, 19. Die vorgeschlagene Methode
der diskreten Strahleindüsung für die Hauptstufe eines Magerbrenners zeichnet sich
durch eine lastabhängige Eindringtiefe der diskreten Strahlen aus. Bei niedrigen bis
mittleren Betriebsbedingungen, bei der die Hauptstufe zur Gewährleistung verringerter
NOx- und Ruß-Emissionen zusätzlich zur Pilotstufe zugeschaltet wird, ist infolge des
verringerten Kraftstoffdrucks - und damit infolge eines niedrigen Kraftstoff-Luft-Impulsverhältnisses
- die Eindringtiefe der diskreten Kraftstoffstrahlen gering. Bei höheren Lastbedingungen
steigt das Kraftstoff-Luft-Impulsverhältnis deutlich an und führt zu einem tieferen
Eindringen der Kraftstoffstrahlen in den mittleren Strömungskanal.
[0017] Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass die Austrittsöffnungen
der diskreten Kraftstoffeindüsungen in Umfangsrichtung angestellt sind (siehe Fig.
10, 12). Der Anstellwinkel der Kraftstoffstrahlen in Umfangsrichtung soll im Bereich
zwischen 10° ≤ δ2 ≤ 60° liegen. Dies kann durch eine - in Relation zur verdrallten
Luftströmung des mittleren Luftkanals 15 - gleichsinnige oder gegensinnige Orientierung
sein. Generell können die Kraftstoffstrahlen mit individuellen Winkeln angestellt
δ2 sein. Durch die erfolgte Umfangsanstellung der Kraftstoffstrahlen wird gegenüber
einer unverdrallten Einspritzung mit δ2 = 0° eine deutliche Verringerung der Eindringtiefe
der Strahlen erreicht, was bei gegebener Anzahl von Eindüsungspunkten einerseits zu
einer Homogenisierung der Kraftstoff-Luft-Mischung im Umfang führt und andererseits
eine radiale Begrenzung der Kraftstoffplatzierung in der Nähe der inneren Oberfläche
der Hauptkraftstoffeinspritzung zur Folge hat. Die Kraftstoffstrahlen können weiterhin
gegenüber der Brennerachse 4 in axialer Richtung angestellt sein. Der bevorzugte axiale
Anstellwinkel der Kraftstoffstrahlen liegt im Bereich zwischen -10° ≤ δ1 ≤ 90°. Wie
bei der Umfangsanstellung können die Kraftstoffstrahlen mit individuellen Winkeln
δ1 angestellt sein. Auch die Ausnehmungen können auch individuell angestellt sein
(sowohl hinsichtlich δ1 als auch δ2).
[0018] Bei niedrigen bis mittleren Lastbedingungen führen die beschriebenen Effekte vor
allem zu einer Verbesserung des Brennkammerausbrandes infolge lokaler Kraftstoffanreicherung.
Bei höheren Lastbedingungen bis zu Volllastbedingungen stellt sich durch einen höheren
Kraftstoffdruck und damit auch höherer Kraftstoffgeschwindigkeit der Einzelstrahlen
eine größere Eindringtiefe der Strahlen ein. Die damit verbundene Intensivierung der
Strahldispersion führt bei gegebener Umfangsanstellung der Kraftstoffstrahlen zu einer
weiteren Vergleichmäßigung der Kraftstoff-Luft-Mischung in radialer Richtung und Umfangsrichtung.
Mit dieser Methode der starken Anstellung der Kraftstoffstrahlen δ1, δ2 lassen sich
bei Hochlastbedingungen magere Kraftstoff-Luft-Verhältnisse einstellen.
[0019] Kontrollierte Kraftstoffinhomogenität durch einen Kraftstofffilm mit lokalen Kraftstoffanreicherungen:
In Fig. 9 ist in einer Querschnittsdarstellung eine berechnete Umfangsverteilung der
Kraftstoff-Luft-Mischung für die Anwendung von stark angestellten Kraftstoffstrahlen
für die Hauptstufe gezeigt. Es sind lokal magere Gemische 32 sowie im Bereich der
Strahleindringung in den mittleren Strömungskanal lokal kraftstoffangereicherte Zonen
31 zu erkennen. Neben der Zumessung des Kraftstoffs über Bohrungen an oder nahe der
Oberfläche der Hauptkraftstoffeinspritzung 38, 19 besteht ein weiteres Merkmal der
vorliegenden Erfindung in der Zumessung des Kraftstoffs für die Hauptstufe weiter
stromauf in der Kraftstoffpassage. Eine gegenüber der diskreten Kraftstoffeindüsung
für die Hauptstufe geänderte Kraftstoffplatzierung über einen Filmspalt im Austritt
der Kraftstoffpassage ist in Fig. 8 dargestellt. Über diskrete Kraftstoffbohrungen
41 wird der Hauptkraftstoff zunächst stromauf der Austrittsfläche der Kraftstoffpassage
zugemessen (siehe Fig. 13). Sowohl die Anzahl der Bohrungen n als auch die Umfangsanstellung
der Bohrungen δ2 entsprechen hierbei den bereits beschriebenen Parameterbereichen
für den Fall der Integration der Kraftstoffbohrungen an oder nahe der inneren Oberfläche
der Hauptkraftstoffeinspritzung 19, 38. Über eine geeignete Strömungsführung durch
ein inneres und äußeres Wandelement der Kraftstoffpassage 40, 43 wird ein Teil des
Kraftstoffimpulses bereits vor dem Einspritzen in den mittleren Strömungskanal 15
abgebaut. Ziel ist die Erzeugung eines Kraftstofffilms mit in Umfangsrichtung kontrolliert
einstellbaren Kraftstoffinhomogenitäten (ähnlich zu der in Fig. 9 gezeigten Kraftstoff-LuftVerteilung).
[0020] Dies kann durch zwei unterschiedliche Methoden verwirklicht werden. Die erste Methode
besteht in der Zumessung des Hauptkraftstoffs durch diskrete Kraftstoffbohrungen stromauf
der Austrittsfläche der Hauptkraftstoffpassage und der direkten Einstellung eines
in Umfangsrichtung kontrolliert inhomogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches. Dies kann durch
eine geeignete Wahl der Anzahl, Anordnung und Anstellung der Kraftstoffbohrungen sowie
durch die Gewährleistung einer geringen Interaktion der eingedüsten Kraftstoffstrahlen
mit dem bereits beschriebenen Wandelement innerhalb der Kraftstoffstufe erreicht werden.
Damit besitzen die in den mittleren Strömungskanal eingedüsten Kraftstoffstrahlen
noch einen definierten Geschwindigkeitsimpuls. Während der Kraftstofffilm für bekannte
Filmlegerkonzepte nahezu keinen Kraftstoffimpuls aufweist, ist infolge der Strömungsführung,
der kurzen Lauflänge des Hauptkraftstoffs zwischen der inneren Oberfläche der Hauptstufe
19, 38 und der Lage der Bohrungen 41 eine - wenn auch verringerte - lastabhängige
Eindringtiefe eines mehr oder weniger geschlossenen Kraftstofffilms bzw. an einen
Kraftstofffilm angenäherten Kraftstoffeintrag einstellbar.
[0021] Zur Zumessung des Kraftstoffs über diskrete Ausnehmungen sind stromauf einer Austrittsfläche
einer Hauptkraftstoffleitung und zur Erzeugung eines Kraftstofffilms mit definierten
Kraftstoffsträhnen zusätzliche Wandelemente stromab des Filmspaltes, z.B. Turbulatoren/Turbolatoren,
Lamellengeometrien, etc., vorgesehen, die zu einer Ausbildung von Kraftstoffinhomogenitäten
in Umfangsrichtung führen.
[0022] Als eine weitere Methode zur Einstellung einer in Umfangsrichtung vorhandenen Inhomogenität
der Kraftstoff-Luft-Mischung wird bei der Verwendung eines Kraftstofffilms eine "nachträgliche"
lokale Anfettung des Kraftstofffilms in Umfangsrichtung vorgeschlagen (Fig. 19). Diese
Inhomogenitäten in der Kraftstoffverteilung können durch unterschiedliche Maßnahmen
erreicht werden, z.B. von auf der Filmlegeroberfläche platzierten Turbulatoren, einer
geeigneten Gestaltung der Hinterkante des Filmlegers (z.B. gewellte Anordnung, Lamellenform).
Die genannten Methoden zur lokalen Einstellung von Inhomogenitäten für den Kraftstofffilm
können sich dabei innerhalb des mittleren Strömungskanals sowohl stromauf und/oder
stromab des Filmspaltes befinden.
[0023] Weiterhin ist erfindungsgemäß bevorzugterweise vorgesehen, die Anordnung der Turbulatoren
auf der Oberfläche des Filmlegers wie folgt vorzusehen: stromauf oder stromab des
Filmspalts, dann jeweils 1-reihig oder mehrreihig, mit/ohne Umfangsanstellung, aber
auch eine im Umfang geschlossene Ringgeometrie des Turbulators (z.B. eine umlaufende
Kante/ Stufe).
[0024] Methoden zur Erhöhung der Luftgeschwindigkeit im mittleren Strömungskanal:
Ein wesentliches Merkmal der vorgeschlagenen Erfindung ist weiterhin die Intensivierung
des Strahlzerfalls der diskreten Einzelstrahlen bzw. des Filmzerfalls eines im Umfang
kontrolliert inhomogenen Kraftstofffilms zur Reduktion der mittleren Tropfendurchmesser
des erzeugten Kraftstoffsprays. Dies soll durch die Einspritzung des Hauptkraftstoffs
in Strömungsgebiete mit hoher Strömungsgeschwindigkeit im mittleren Luftkanal verwirklicht
werden 36. Der Flammenstabilisator 24, der sich zwischen der Pilot- und der Hauptstufe
befindet, ist mit einem an die Geometrie der Hauptstufe angepassten äußeren Umlenkring
(Schenkel) versehen 26. Dieser Umlenkring ist in Bezug zur Brennerachse mit einem
definierten Winkel angestellt, wobei der Anstellwinkel α zwischen 10° und 50° liegen
kann. Eine weitere Maßnahme zur Strömungsbeschleunigung im Nachlauf der Schaufeln
für den mittleren Luftkanal ist das Vorsehen eines definierten Anstellwinkels für
die innere Wand der Hauptstufe 19. Dieser Anstellwinkel liegt - bezogen auf die nicht
abgelenkte Hauptströmungsrichtung - im Bereich zwischen 5° ≤ β ≤ 40° (siehe Fig. 11).
Die beschriebenen Methoden - Anstellung des äußeren Umlenkrings, und Anstellung der
inneren Wand der Hauptstufe - führen zu einer deutlichen Beschleunigung der Luftströmung
im mittleren Luftkanal im Nachlauf der Schaufeln. Der Strömungskanal ist so ausgelegt,
dass sich das Gebiet der höchsten Strömungsgeschwindigkeiten nahe der Eindüsung des
Hauptkraftstoffs befindet.
[0025] Methoden zur Vermeidung eines Strömungsabrisses im äußeren Strömungskanal sowie zur
Verbesserung der Kraftstoffaufbereitung der Haupteinspritzung:
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die geeignete konstruktive Gestaltung
der äußeren Brennerrings 27. Die innere Kontur der Ringgeometrie 28 ist so ausgelegt,
dass in Abhängigkeit von der Anstellung der äußeren Wand der Hauptstufe 20 unter keinen
Betriebsbedingungen ein Abreißen der Luftströmung im äußeren Luftkanal eintritt (siehe
Fig. 11). Damit soll eine möglichst verlustreduzierte Strömung ohne Strömungsrezirkulation
im Nachlauf des äußeren Luftdrallerzeugers 13 gewährleistet werden. Weiterhin ist
die Profilierung der inneren Kontur der Ringgeometrie so gewählt, dass ein hoher Luftanteil
aus dem äußeren Strömungskanal für die Kraftstoff-Luft-Mischung der Hauptkraftstoffeinspritzung
bereitgestellt wird.
[0026] Konturierter Flammenstabilisator, feste Geometrie:
Um neben einer Verbesserung des Brennkammerausbrandes auch eine Senkung der Schadstoffemissionen
über einen weiten Lastbereich zu erreichen, erscheint die Einstellung einer gemischten
und/oder lastabhängigen Strömungsform mit einer definierten Interaktion der Pilot-
und Hauptflamme als vorteilhaft. Eine zu starke Separation der Pilot- und Hauptflamme
soll vermieden werden. Generell wird erwartet, dass eine starke Separierung beider
Zonen zu einem verbesserten Betriebsverhalten des Brenners führen kann, wenn vorzugsweise
die Pilot- bzw. die Hauptstufe betrieben wird. Dies ist z.B. der Fall im unteren Lastbereich
(nur die Pilotstufe wird mit Kraftstoff versorgt) und im Hochlastbetrieb (der überwiegende
Anteil des Kraftstoffs wird auf die mager operierende Hauptstufe verteilt). Allerdings
kann dadurch über einen weiten Teil des Betriebsbereiches, insbesondere im Teillastbereich
(z.B. Reiseflugbedingung, Stufungspunkt), eine Verminderung des Brennkammerausbrandes
stattfinden, da ein vollständiger Ausbrand des Kraftstoffs für die mit hohem Luftüberschuss
operierende Hauptstufe kritisch ist. Aus diesem Grund wird eine kontrollierte Interaktion
beider Verbrennungszonen angestrebt, um mit Hilfe der heißen Verbrennungsgase der
Pilotstufe eine Temperaturerhöhung in der Hauptreaktionszone zu bewirken.
[0027] Erfindungsgemäß vorgesehen werden unterschiedliche Geometrien für Flammenstabilisatoren
24, die die definierte Einstellung eines Strömungsfeldes mit ausgeprägten Eigenschaften
zentraler und dezentraler Rezirkulation ermöglichen. Allgemein wird eine spezifische
Konturierung, sowohl in axialer als auch Umfangsrichtung, des Flammenstabilisators
vorgeschlagen. Eine Ausführungsform mit einer blütenförmigen Geometrie für den Austrittsquerschnitt
eines Flammenstabilisators ist in Fig. 14 gezeigt. Der Durchmesser der Austrittsfläche
variiert zwischen einem minimalen Durchmesser A1, der zu einer ausgeprägten dezentralen
Rezirkulation im Nachlauf des V-förmig ausgebildeten Flammenstabilisators führen kann,
und einem maximalen Durchmesser A2, der die Ausbildung einer zentralen Rezirkulation
auf der Brennerachse begünstigt. Insbesondere durch die Umfangsvariation des Austrittsdurchmessers
A des Flammenstabilisators wird erwartet, dass sowohl eine zentrale als auch dezentrale
Rezirkulation gezielt eingestellt werden kann.
[0028] Neben der in Fig. 14 dargestellten Ausführungsvariante für einen konturierten Flammenstabilisator
mit 8 sogenannten "Blüten" werden weitere Ausführungsvarianten vorgeschlagen, wobei
die vorgeschlagenen Geometrien zwischen 2 und 20 "Blüten" aufweisen können. In Fig.
15 ist eine weitere Ausführung für einen etwas stärker konturierten Flammenstabilisator
mit 8 "Blüten" gezeigt, bei der der Durchmesser A1 reduziert und gleichzeitig der
Durchmesser A2 erhöht wurde. Damit erfährt die Strömung lokal eine Strömungsbeschleunigung
bzw. -verzögerung, was zu einem stark dreidimensionalen Strömungsgebiet mit einerseits
zentraler als auch dezentraler Rezirkulation führt (siehe Fig. 5).
[0029] Eine weitere Ausführungsform sieht die umfangsmäßige Ausrichtung der 3D-Wellengeometrie
(Konturierungen) des Flammenstabilisators am effektiven Drallwinkel der umgelenkten
Luftströmung für die innere Pilotstufe und/oder am effektiven Drallwinkel der umgelenkten
Luftströmung für die radial außen angeordnete Hauptstufe vor.
[0030] In Fig. 16 ist eine weitere Ausführungsform des konturierten Flammenstabilisators
gezeigt. Die Konturierung des inneren Schenkels des Flammenhalters weist 5 Blüten
auf, wobei durch die Anzahl und Anordnung der Blüten eine Durchmesservariation mit
einer kontrollierten Asymmetrie in der Strömungsführung der Pilotströmung erreicht
wird. Damit wird in einer Schnittebene sowohl eine starke Strömungsbeschleunigung
als auch infolge der Querschnittserweiterung eine Umlenkung und Strömungsverzögerung
umgesetzt. Hinsichtlich der einstellbaren Asymmetrie in der Pilotströmung ist in Fig.
17 eine weitere Ausführungsform eines Flammenstabilisators mit einer exzentrischen
Positionierung dargestellt. Eine zusätzliche Möglichkeit der Konturierung von 25 ist
ein Sägezahn-Profil.
[0031] Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung bezüglich der Ausbildung des Flammenstabilisators
ist neben der beschriebenen Konturierung des inneren Schenkels 25 eine Konturierung
des äußeren Schenkels des Flammenstabilisators 26, wobei die für den inneren Schenkel
des Flammenstabilisators vorgeschlagenen Geometrien auch für den äußeren Schenkel
26 verwendet werden können.
[0032] Konturierter Flammenstabilisator, variable Geometrie:
Zur kontrollierten Einstellung eines Strömungsfeldes mit unterschiedlichen Rückströmzonen
wird neben einer geometrisch festen Geometrie eines konturierten Flammenstabilisators
eine variable Geometrie vorgeschlagen. Der Vorteil einer variablen Geometrie ist,
dass in Abhängigkeit vom Lastzustand eine gewünschte Strömungsform in der Brennkammer
eingestellt werden kann und somit das Betriebsverhalten des Brenners hinsichtlich
Schadstoffreduktion, Ausbrand und Flammenstabilität positiv beeinflusst werden kann.
Als eine Möglichkeit zur Anpassung des Strömungsfeldes mit Hilfe einer variablen Geometrie
für den Flammenstabilisator wird z.B. die Integration von Piezo-Elementen als Zwischenelement
oder direkt an der Hinterkante des inneren oder äußeren Schenkels des Flammenstabilisators
vorgeschlagen. Bei diesen Elementen soll das Prinzip der spannungsabhängigen Feldausdehnung
ausgenutzt werden. Dies bedeutet, dass im Originalzustand, d.h. ohne Spannungsbelastung
der Piezo-Elemente, ein vergrößerter Austrittsquerschnitt des Flammenstabilisators
vorhanden ist. Dieser Zustand entspricht dem Vorhandensein eines vergrößerten Austrittsdurchmessers
A2, der das Ausbilden einer vorwiegend dezentralen Rezirkulationszone begünstigt.
Bei Anlegen eines Spannungszustandes tritt eine Materialausdehnung mit einer radialen
Komponente in Richtung Brennerachse auf (siehe Fig. 18). Dies führt zu einem kleinen
Austrittsquerschnitt und in Kombination mit einem erniedrigten Luftdrall für die Pilotstufe
zur Generierung eines ausgeprägten Rückströmgebietes im Nachlauf des Flammenstabilisators.
Dies führt u.a. zu einer deutlichen Verbesserung der Flammenstabilität hinsichtlich
einer Verlöschung bei magerem Betrieb des Brenners.
[0033] Als ein weiteres Prinzip der variablen Einstellung der Strömungsform über eine Anpassung
der Austrittsgeometrie des Flammenstabilisators wird die Implementierung von Bimetall-Elementen
in die Geometrie des Flammenhalters vorgeschlagen. Zunutze gemacht wird das Prinzip
der temperaturabhängigen Materialausdehnung. Beispielsweise können Bimetall-Elemente
in den vorderen Teil des Flammenstabilisators oder an der Hinterkante des Flammenstabilisators
integriert werden, um eine gewünschte Änderung der Austrittsgeometrie zu erreichen.
[0034] Vorteile der Erfindung:
Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der kontrollierten Einstellung
der Kraftstoff-Luft-Mischung für die Hauptstufe eines mager betriebenen Brenners.
Durch das Vorhandensein lokal fetter Gemische kann mit den beschriebenen Maßnahmen
ein ausreichend hoher Brennkammerausbrand insbesondere bei niedrigen bis mittleren
Lastbedingungen erreicht werden. Über die Anstellung der Kraftstoffstrahlen (insbesondere
im Umfang) kann zudem bei Hochlastbedingungen eine im Umfang verbesserte Kraftstoff-Luft-Mischung
erzielt werden, so dass ähnlich zu einem optimierten Filmleger sehr geringere NOx-Emissionen
entstehen.
[0035] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit einer kontrollierten Einstellung
eines "gemischten" Strömungsfeldes mit ausgeprägten zentralen und dezentralen Rezirkulationsgebieten.
Es wird erwartet, dass durch das Vorhandensein einer zentralen Rezirkulation einerseits
die NOx-Emissionen signifikant gesenkt werden können als auch durch die Einstellung
einer ausreichenden Rückströmzone im Nachlauf des Flammenstabilisators eine sehr hohe
Flammenstabilität gegenüber Magerverlöschen erreicht werden kann. Weiterhin wird erwartet,
dass die Interaktion zwischen der Pilot- und Hauptflamme kontrollierter eingestellt
werden kann, da in Abhängigkeit von der 3D-Kontur des Flammenstabilisators die Möglichkeit
vorhanden ist, unterschiedliche Strömungszustände mit mehr oder wenig starker Interaktion
der Pilot- und Hauptströmung zu generieren. Mit Hilfe dieser gezielten Erzeugung einer
"gemischten" Strömungsform kann der Betriebsbereich des Magerbrenners zwischen Niedrig-
und Volllast deutlich erweitert werden.
[0036] Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird im Bereich der Zündung der Pilotstufe erwartet.
Infolge der konturierten Geometrie der Austrittsfläche mit lokal erhöhten Teilkreisdurchmessern
A2 wird eine radiale Aufweitung (Dispersion) des Pilotsprays generiert, die zu einer
verbesserten Gemischaufbereitung führen kann. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit,
dass ein größerer Teil des Pilotsprays in die Nähe der Brennkammerwand in den Bereich
der Zündkerze geführt werden kann und somit - in Abhängigkeit von der lokalen Kraftstoff-Luft-Mischung
- die Zündeigenschaften des Brenners verbessert werden können. Ein weiterer Vorteil
der dreidimensionalen Konturierung des Flammenstabilisators ist eine Vergleichmäßigung
der Strömung und somit die Reduzierung des Auftretens von möglichen Strömungsinstabilitäten,
die sich oftmals im Nachlauf von Staukörpern - insbesondere in der Scherschicht -
ausbilden können.
[0037] Der Vorteil einer variablen Anpassung des Austrittquerschnitts des Flammenstabilisators
und damit letztendlich der Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit liegt in der Möglichkeit,
zentrale oder dezentrale Rezirkulationszonen innerhalb der Brennkammer in Abhängigkeit
vom aktuellen Betriebszustand "automatisch" einzustellen. Mit Hilfe dieser Methode
wäre es möglich, in einem bestimmten Betriebsbereich eine zentrale Strömungsrezirkulation
auf der Brennerachse zu generieren, die infolge des "Aufklappens" der Pilotströmung
und der entsprechenden Interaktion zwischen der Pilot- und Hauptflamme die Reduktion
der NOx-Emissionen insbesondere im Hochlastbereich begünstigt. Andererseits kann eine
hohe Flammenstabilität im unteren Lastbereich erreicht werden, indem über eine Verringerung
der Austrittsfläche des Flammenstabilisators eine deutliche Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
begünstigt wird. Damit wird eine gezielte Optimierung des Brennerverhaltens für unterschiedliche
Betriebszustände möglich.
Bezugszeichenliste
[0038]
- 1
- Kraftstoffdüse
- 2
- Brennkammer
- 3
- Brennkammerströmung
- 4
- Brennerachse
- 5
- zentrales Rezirkulationsgebiet
- 6
- Rezirkulationsgebiet im Nachlauf des Flammenstabilisators
- 7
- Kraftstoffeintrag für die Hauptstufe
- 8
- Kraftstoffeintrag für die Pilotstufe
- 9
- Kraftstoff-Luft-Gemisch der Hauptstufe
- 10
- Kraftstoff-Luft-Gemisch der Pilotstufe
- 11
- innerer Luftdrallerzeuger
- 12
- mittlerer Luftdrallerzeuger
- 13
- äußerer Luftdrallerzeuger
- 14
- innerer Strömungskanal
- 15
- mittlerer Strömungskanal
- 16
- äußerer Strömungskanal
- 17
- Pilotkraftstoffeinspritzung
- 18
- Hauptkraftstoffeinspritzung
- 19
- innere stromabseitige Oberfläche der Hauptkraftstoffein- spritzung, Filmleger
- 20
- äußere Oberfläche der Hauptkraftstoffeinspritzung
- 21
- Hinterkante der Hauptkraftstoffeinspritzung
- 22
- Austrittsspalt der Hauptkraftstoffeinspritzung
- 23
- Austrittsbohrungen der Hauptkraftstoffeinspritzung
- 24
- Flammenstabilisator
- 25
- innerer Schenkel des Flammenstabilisators
- 26
- äußerer Schenkel des Flammenstabilisators
- 27
- äußerer Brennerring (dome)
- 28
- innere Kontur des äußeren Brennerrings
- 29
- Pilotkraftstoffzuführung
- 30
- Hauptkraftstoffzuführung
- 31
- lokal fettes Kraftstoff-Luft Gemisch
- 32
- lokal mageres Kraftstoff-Luft Gemisch
- 33
- Austrittsfläche der Pilotkraftstoffeinspritzung
- 34
- Austrittskontur des inneren Schenkels des Flammensta- bilisators
- 35
- Bi-Metall-Elemente
- 36
- Strömung im Nachlauf des mittleren Drallerzeugers
- 37
- beschleunigtes Geschwindigkeitsgebiet auf der Brenner- achse
- 38
- innere stromaufseitige Oberfläche der Hauptkraft- stoffeinspritzung
- 39
- Kraftstoffpassage der Hauptkraftstoffeinspritzung
- 40
- äußeres Wandelement der Kraftstoffpassage der Hauptein- spritzung
- 41
- Alternative Zumessung des Hauptkraftstoffs über strom- aufseitige Bohrungen
- 42
- Kraftstofffilm mit lokaler Kraftstoffanreicherung in axialer und/oder Umfangsrichtung
- 43
- inneres Wandelement der Kraftstoffpassage der Hauptein- spritzung
- 44
- Turbulatorelement zur Erzeugung von lokalen Kraftstoffinhomogenitäten auf dem Filmleger
- 45
- Kraftstofffilm mit geringen Kraftstoffinhomogenitäten in Umfangsrichtung
1. Gasturbinenmagerbrenner mit einer Brennkammer (2) sowie mit einer Kraftstoffdüse (1),
welche eine Pilotkraftstoffeinspritzung (17) und eine Hauptkraftstoffeinspritzung
(18) umfasst, wobei die Hauptkraftstoffeinspritzung (18) mittlere Ausnehmungen (23)
zur kontrollierten inhomogenen Kraftstoffeinspritzung vornehmlich in Umfangsrichtung
umfasst, deren Anzahl am Umfang zwischen 8 und 40 beträgt und die einen Anstellwinkel
δ2 in Umfangsrichtung von 10° ≤ δ2 ≤ 60° und einen axialen Anstellwinkel δ1 gegenüber
der Brennerachse (4) zwischen -10° ≤ δ1 ≤ 90° aufweisen, gekennzeichnet durch einen V-förmigen Flammenstabilisator (24), welcher einen inneren Schenkel (25) aufweist,
der in axialer Richtung und in Umfangsrichtung konturiert ist und 2 bis 20 am Umfang
angeordnete Konturen einer Blütenform umfasst.
2. Gasturbinenmagerbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (23) in einer einreihigen Anordnung angeordnet sind.
3. Gasturbinenmagerbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (23) in einer mehrreihigen Anordnung angeordnet sind.
4. Gasturbinenmagerbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (23) in einer gestaffelten Anordnung angeordnet sind.
5. Gasturbinenmagerbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zumessung des Kraftstoffs über separate diskrete Ausnehmungen stromauf einer
Austrittsfläche einer Hauptkraftstoffleitung und zur Erzeugung eines Kraftstofffilms
mit definierten Kraftstoffsträhnen mehrere Ausnehmungen vorgesehen sind, deren Anzahl
zwischen 8 und 40 beträgt und die einen Anstellwinkel δ2 in Umfangsrichtung zwischen
10° ≤ δ2 ≤ 60° aufweisen.
6. Gasturbinenmagerbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zumessung des Kraftstoffs über separate diskrete Ausnehmungen stromauf einer
Austrittsfläche einer Hauptkraftstoffleitung und zur Erzeugung eines Kraftstofffilms
mit definierten Kraftstoffsträhnen zusätzliche Wandelemente stromab des Filmspaltes
vorgesehen sind, die zu einer Ausbildung von Kraftstoffinhomogenitäten in Umfangsrichtung
führen.
7. Gasturbinenmagerbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen der Blütenform gleichmäßig am Umfang verteilt sind.
8. Gasturbinenmagerbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen der Blütenform ungleichmäßig am Umfang verteilt sind.
9. Gasturbinenmagerbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen der Blütenform mit einer Exzentrizität der Austrittsgeometrie gegenüber
der Brennerachse am Umfang verteilt sind.
10. Gasturbinenmagerbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußerer Schenkel (26) des V-förmigen Flammenstabilisators (24) in axialer Richtung
und in Umfangsrichtung mit 2 bis 20 am Umfang angeordneter Konturen einer Blütenform
konturiert ist.
11. Gasturbinenmagerbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen der Blütenform gleichmäßig am Umfang verteilt sind.
12. Gasturbinenmagerbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen der Blütenform ungleichmäßig am Umfang verteilt sind.
13. Gasturbinenmagerbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen der Blütenform mit einer Exzentrizität der Austrittsgeometrie gegenüber
der Brennerachse am Umfang verteilt sind.
14. Gasturbinenmagerbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch einen V-förmigen Flammenstabilisator (24), welcher an einem inneren Schenkel (25)
und/oder an einem äußeren Schenkel (26) mit einer variablen Geometrie versehen ist.
15. Gasturbinenmagerbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hauptstufe der Kraftstoffeinspritzung zwischen 5° und 60° zur Brennerachse (4)
angestellt ist.
16. Gasturbinenmagerbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Filmlegers Turbulatorelemente (44) angeordnet sind.
17. Gasturbinenmagerbrenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulatorelemente (44) stromauf des Filmspalts angeordnet sind.
18. Gasturbinenmagerbrenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulatorelemente (44) stromab des Filmspalts angeordnet sind.
1. Gas-turbine lean burner having a combustion chamber (2) and a fuel nozzle (1) which
includes a pilot fuel injection system (17) and a main fuel injection system (18),
where the main fuel injection system (18) comprises central recesses (23) for controlled
inhomogeneous fuel injection especially in the circumferential direction, the number
of said recesses on the circumference ranging from 8 to 40 and said recesses having
an angle of inclination δ2 in the circumferential direction of 10° ≤ δ2 ≤ 60° and
an axial angle of inclination δ1 relative to the burner axis (4) between -10° ≤ δ1
≤ 90°, characterized by a V-shaped flame stabilizer (24) having an inner leg (25) which is contoured in the
axial direction and in the circumferential direction and includes 2 to 20 circumferentially
arranged contours in blossom form.
2. Gas-turbine lean burner in accordance with Claim 1, characterized in that the recesses (23) are disposed in a single-row arrangement.
3. Gas-turbine lean burner in accordance with Claim 1, characterized in that the recesses (23) are disposed in a multi-row arrangement.
4. Gas-turbine lean burner in accordance with Claim 1, characterized in that the recesses (23) are disposed in a staggered arrangement.
5. Gas-turbine lean burner in accordance with one of the Claims 1 to 4, characterized in that several recesses are provided for metering the fuel via separate, discrete recesses
upstream of an exit surface of a main fuel line and for generating a fuel film with
defined fuel streaks, the number of said recesses ranging from 8 to 40 and said recesses
having an angle of inclination δ2 in the circumferential direction of 10° ≤ 62 ≤ 60°.
6. Gas-turbine lean burner in accordance with one of the Claims 1 to 5, characterized in that for metering the fuel via separate, discrete recesses upstream of an exit surface
of a main fuel line and for generating a fuel film with defined fuel streaks additional
wall elements are provided downstream of the film gap which lead to the formation
of fuel inhomogeneities in the circumferential direction.
7. Gas-turbine lean burner in accordance with one of the Claims 1 to 6, characterized in that the contours of the blossom form are evenly distributed over the circumference.
8. Gas-turbine lean burner in accordance with one of the Claims 1 to 6, characterized in that the contours of the blossom form are unevenly distributed over the circumference.
9. Gas-turbine lean burner in accordance with one of the Claims 1 to 6, characterized in that the contours of the blossom form are distributed over the circumference with an eccentricity
of the exit geometry relative to the burner axis.
10. Gas-turbine lean burner in accordance with one of the Claims 1 to 9, characterized in that an outer leg (26) of the V-shaped flame stabilizer (24) is contoured in the axial
direction and in the circumferential direction with 2 to 20 circumferentially arranged
contours of a blossom form.
11. Gas-turbine lean burner in accordance with Claim 10, characterized in that the contours of the blossom form are evenly distributed over the circumference.
12. Gas-turbine lean burner in accordance with Claim 10, characterized in that the contours of the blossom form are unevenly distributed over the circumference.
13. Gas-turbine lean burner in accordance with Claim 10, characterized in that the contours of the blossom form are distributed over the circumference with an eccentricity
of the exit geometry relative to the burner axis.
14. Gas-turbine lean burner in accordance with one of the Claims 1 to 13, characterized by a V-shaped flame stabilizer (24) which is provided on an inner leg (25) and/or on
an outer leg (26) with a variable geometry.
15. Gas-turbine lean burner in accordance with one of the Claims 1 to 14, characterized in that a main stage of the fuel injection system is inclined between 5° and 60° relative
to the burner axis (4).
16. Gas-turbine lean burner in accordance with one of the Claims 1 to 15, characterized in that turbulator elements (44) are arranged on the surface of the film applicator.
17. Gas-turbine lean burner in accordance with Claim 16, characterized in that the turbulator elements (44) are arranged upstream of the film gap.
18. Gas-turbine lean burner in accordance with Claim 16, characterized in that the turbulator elements (44) are arranged downstream of the film gap.
1. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz, avec une chambre de combustion (2) ainsi
qu'un injecteur de carburant (1) qui comprend un système d'injection de carburant
pilote (17) et un système d'injection de carburant principal (18), sachant que le
système d'injection de carburant principal (18) comprend en particulier dans le sens
circonférentiel des évidements centraux (23) pour une injection de carburant non homogène
contrôlée, dont le nombre sur la circonférence est compris entre 8 et 40 et qui présentent
un angle d'inclinaison δ2 dans le sens circonférentiel tel que 10° ≤ δ2 ≤ 60° et un
angle d'inclinaison axial δ1 tel que -10° ≤ δ1 ≤ 90° par rapport à l'axe (4) du brûleur,
caractérisé par un stabilisateur de flamme (24) en forme de V présentant une branche interne (25)
qui est chantournée dans le sens axial et dans le sens circonférentiel et comprend
entre 2 et 20 contours d'une forme de fleur disposés sur la circonférence.
2. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon la revendication n° 1, caractérisé en ce que les évidements (23) sont disposés selon une configuration à une rangée.
3. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon la revendication n° 1, caractérisé en ce que les évidements (23) sont disposés selon une configuration à plusieurs rangées.
4. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon la revendication n° 1, caractérisé en ce que les évidements (23) sont disposés selon une configuration échelonnée.
5. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon une des revendications n° 1 à n°
4, caractérisé en ce que pour le dosage du carburant au moyen d'évidements discrets distincts en amont d'une
surface de sortie d'une conduite principale de carburant, et pour générer une pellicule
de carburant avec filets de carburant définis sont prévus plusieurs évidements, dont
le nombre est compris entre 8 et 40 et qui présentent un angle d'inclinaison δ2 tel
que 10° ≤ δ2 ≤ 60° dans le sens circonférentiel.
6. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon une des revendications n° 1 à n°
5, caractérisé en ce que pour le dosage du carburant au moyen d'évidements discrets distincts en amont d'une
surface de sortie d'une conduite principale de carburant, et pour générer une pellicule
de carburant avec filets de carburant définis, sont prévus en aval de l'interstice
pelliculaire des éléments de paroi additionnels qui provoquent la formation d'inhomogénéités
du carburant dans le sens circonférentiel.
7. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon une des revendications n° 1 à n°
6, caractérisé en ce que les contours de la forme de fleur sont régulièrement répartis sur la circonférence.
8. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon une des revendications n° 1 à n°
6, caractérisé en ce que les contours de la forme de fleur sont irrégulièrement répartis sur la circonférence.
9. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon une des revendications n° 1 à n°
6, caractérisé en ce que les contours de la forme de fleur sont répartis sur la circonférence avec une excentricité
de la géométrie de sortie par rapport à l'axe du brûleur.
10. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon une des revendications n° 1 à n°
9, caractérisé en ce qu'une branche externe (26) du stabilisateur de flamme (24) en forme de V est chantournée
dans le sens axial et dans le sens circonférentiel avec 2 à 20 contours d'une forme
de fleur disposés sur la circonférence.
11. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon la revendication n° 10, caractérisé en ce que les contours de la forme de fleur sont régulièrement répartis sur la circonférence.
12. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon la revendication n° 10, caractérisé en ce que les contours de la forme de fleur sont irrégulièrement répartis sur la circonférence.
13. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon la revendication n° 10, caractérisé en ce que les contours de la forme de fleur sont répartis sur la circonférence avec une excentricité
de la géométrie de sortie par rapport à l'axe du brûleur.
14. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon une des revendications n° 1 à n°
13, caractérisé par un stabilisateur de flamme (24) en forme de V, qui sur une branche interne (25) et/
ou sur une branche externe (26) est doté d'une géométrie variable.
15. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon une des revendications n° 1 à n°
14, caractérisé en ce qu'un étage principal du système d'injection de carburant est incliné entre 5° et 60°
par rapport à l'axe du brûleur (4).
16. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon une des revendications n° 1 à n°
15, caractérisé en ce que des éléments de turbulateur (44) sont disposés sur la surface de l'applicateur de
pellicule.
17. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon la revendication n° 16, caractérisé en ce que les éléments de turbulateur (44) sont disposés en amont de l'interstice pelliculaire.
18. Brûleur à mélange pauvre pour turbine à gaz selon la revendication n° 16, caractérisé en ce que les éléments de turbulateur (44) sont disposés en aval de l'interstice pelliculaire.
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