Technisches Anwendungsgebiet
[0001] Die Erfindung betrifft einen Brenner gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein
bevorzugtes Einsatzgebiet für derartige Brenner sind die Brennräume von Gasturbinen;
derartige Brenner werden weiterhin beispielsweise auch in atmosphärischen Kesselfeuerungen
eingesetzt.
Stand der Technik
[0002] Aus der EP 0 321 809 ist ein aus mehreren Schalen bestehender kegelförmiger Brenner,
ein sogenannter Doppelkegelbrenner, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt.
Durch den kegelförmigen aus mehreren Schalen zusammengesetzten Drallerzeuger wird
eine Drallströmung in dem von den Teilkegelschalen eingeschlossenen Kegelinnenraum
erzeugt. Aufgrund eines Querschnittssprungs an einem brennraumseitigen Ende des Brenners
wird die Drallströmung instabil, und geht in eine annulare Drallströmung mit Rückströmung
im Kern über. Diese Rückströmung ermöglicht die Stabilisierung einer Flammenfront
am Brenneraustritt. Die Schalen des Drallerzeugers sind derart zusammengesetzt, dass
entlang der Brennerachse tangentiale Lufteintrittsschlitze für Verbrennungsluft gebildet
werden. An der hierdurch gebildeten Einströmkante der Kegelschalen sind Zuführungen
für einen gasförmigen Vormischbrennstoff, vorgesehen, die in Richtung der Brennerachse
verteilte Austrittsöffnungen für das Vormischgas aufweisen. Das Gas wird durch die
Austrittsöffnungen bzw. Bohrungen quer zum Lufteintrittsspalt eingedüst. Diese Eindüsung
führt in Verbindung mit dem im Drallraum erzeugten Drall der Verbrennungsluft-Brenngas-Strömung
zu einer guten Durchmischung des Brenn- bzw. Vormischgases mit der Verbrennungsluft.
Eine gute Durchmischung ist bei derartigen Vormischbrennern die Voraussetzung für
niedrige NO
x-Werte beim Verbrennungsvorgang.
[0003] Zur weiteren Verbesserung eines derartigen Brenners ist aus der EP 0 780 629 ein
Brenner für einen Wärmeerzeuger bekannt, der im Anschluss an den Drallerzeuger eine
zusätzliche Mischstrecke zur weiteren Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft
aufweist. Diese Mischstrecke kann beispielsweise als nachgeschaltetes Rohr ausgeführt
sein, in das die aus dem Drallerzeuger austretende Strömung ohne nennenswerte Strömungsverluste
überführt wird. Durch diese zusätzliche Mischstrecke kann der Vermischungsgrad weiter
erhöht und damit die Schadstoffemissionen verringert werden.
[0004] Die WO 93/17279 zeigt einen weiteren bekannten Vormisch-Brenner, bei dem ein zylindrischer
Drallerzeuger mit einem zusätzlichen konischen Innenkörper eingesetzt wird. Bei diesem
Brenner wird das Vormischgas ebenfalls über Zuführungen mit entsprechenden Austrittsöffnungen
in den Drallraum eingedüst, die entlang der axial verlaufenden Lufteintrittsschlitze
angeordnet sind. Dieser Brenner weist im konischen Innenkörper zusätzlich eine zentrale
Zuführung für Brenngas auf, das nahe der Austrittsöffnung des Brenners zur Pilotierung
in den Drallraum eingedüst werden kann. Diese zusätzliche Pilotstufe dient dem Anfahren
des Brenners. Die Zuführung des Pilotgases im Austrittsbereich des Brenners führt
jedoch zu erhöhten NO
x-Emissionen, da in diesem Bereich nur eine unzureichende Vermischung mit der Verbrennungsluft
stattfinden kann.
[0005] Die EP 0918191 A1 zeigt einen gattungsgemäßen Brenner zum Betrieb eines Wärmeerzeugers,
der parallel zu einer ersten Zuführung für Brennstoff auch eine zweite Zuführung für
einen anderen Brennstofftyp aufweist, die auf den anderen Brennstofftyp abgestimmt
ist. Beide Zuführungen sind unabhängig voneinander ansteuerbar. Durch diese Ausgestaltung
kann der Brenner ohne Umgestaltung mit unterschiedlichen Brennstofftypen betrieben
werden.
[0006] Bei allen dargestellten Brennern erfolgt die Eindüsung des Vormischgases im Lufteintrittsspalt
durch Zuführungen mit im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse angeordneten Austrittsöffnungen.
Damit sind die Charakteristik der Eindüsung hinsichtlich Eindringtiefe und Einmischung
der Gasstrahlen sowie die Brennstoffverteilung entlang der Lufteintrittsschlitze bzw.
der Brennerachse vorgegeben. Die Anordnung der Austrittsöffnungen legt somit bereits
die Mischgüte des Gases und der Verbrennungsluft sowie die Brennstoffverteilung am
Brenneraustritt fest. Diese Größen sind wiederum entscheidend für die NO
x-Emissionen, für die Lösch- und Rückschlagsgrenzen sowie für die Stabilität des Brenners
im Hinblick auf Verbrennungspulsationen.
[0007] Bei unterschiedlichen Lasten, Gasqualitäten oder Gasvorwärmtemperaturen treten jedoch
unterschiedliche Gasvordrücke an den Austrittsöffnungen auf, die wiederum zu unterschiedlichen
Vormischbedingungen und Gemischqualitäten am Brennstoffaustritt führen. Aus den unterschiedlichen
Vormischbedingungen resultieren dann unterschiedliche Emissionswerte und Stabilitätsbedingungen,
die von der Last, der Gasqualität und der Gasvorwärmung abhängig sind. Die bekannten
Brenner lassen sich daher nur für ganz bestimmte Wertebereiche dieser Parameter optimal
betreiben.
[0008] Problematisch beim Betrieb von Vormischbrennern insbesondere in Gasturbinen ist der
Teillastbereich, da hier der Brennluft nur vergleichsweise geringe Brennstoffmengen
zugemischt werden. Bei der vollständigen Vermischung des Brennstoffes mit der gesamten
Luft aber entsteht ein Gemisch, welches gerade im unteren Teillastbereich nicht mehr
zündfähig ist, oder nur noch eine sehr instabile Flamme auszubilden in der Lage ist.
Dies kann zu schädlichen Verbrennungspulsationen oder zum vollständigen Verlöschen
der Flamme führen.
[0009] Für eine Anpassung der bekannten Brenner auf bestimmte Emissionswerte oder auf ein
bestimmtes Stabilitätsfenster bei unterschiedlichen Lasten, Umgebungsbedingungen,
Gasqualitäten und Vorwärmtemperaturen besteht zurzeit einerseits die Möglichkeit,
bei Einsatz von Mehrfachbrenneranordnungen die Vormisch- bzw. Premixgaszufuhr zu einzelnen
Brennergruppen zu stufen. Dies ist jedoch nur bei mehrreihigen Brenneranordnungen
möglich. Für einreihige annulare Brennkammern hat diese Technik den Nachteil, dass
sich ein in Umfangsrichtung ungleichförmiges Temperaturprofil im Brennkammeraustritt
einstellt.
[0010] Eine andere Möglichkeit ist, Brenner, wie oben bereits kurz angerissen, mit einer
sogenannten Pilot-Brennstoffversorgung auszustatten. Die Brenner werden dann bei sehr
hohen Luftzahlen als Diffusionsbrenner betrieben. Dies resultiert einerseits in einer
überlegenen Flammenstabilität, andererseits aber in hohen Emissionswerten und weiteren
betriebstechnischen Nachteilen.
[0011] Aus der EP 433 790 ist ein Doppelkegelbrenner bzw. ein Verfahren zum Betrieb eines
Doppelkegelbrenners bekannt geworden, bei dem über längs der tangentialen Lufteintrittsöffnungen
angeordnete Düsen ein erster Brennstoff, beispielsweise Erdgas, in den Verbrennungsluftstrom
eingedüst wird, während stromauf des Eintritts der Luft in den Brenner im Bereich
der Eintrittsschlitze Kanäle mit Injektoren ausgebildet sind, über die ein zweiter,
vom ersten Brennstoff verschiedener Brennstoff, beispielsweise ein mittelkalorisches
Gas, das in der Regel leicht entzündlichen Wasserstoff enthält, eingedüst wird.
[0012] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Brenner anzugeben, der
auch bei Änderungen der Last, der Gasqualität oder der Gasvorwärmtemperatur mit annähernd
konstanten NO
x-Emissionswerten möglichst im Vormischbetrieb stabil betrieben werden kann.
Darstellung der Erfindung
[0013] Die Aufgabe wird mit dem Brenner gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterentwicklungen des Brenners sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0014] Der vorgeschlagene Brenner besteht aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom,
einem Drallraum und Mitteln zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom,
wobei der Drallerzeuger Brennluft-Eintrittsöffnungen für den tangential in den Drallraum
eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist, die Mittel zur Einbringung von Brennstoff
in den Verbrennungsluftstrom eine oder mehrere erste Brennstoffzuführungen mit einer
ersten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen
für eine erste Vormischbrennstoffmenge umfassen und der Brenner eine oder mehrere
zweite Brennstoffzuführungen mit einer zweiten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung
der Brennerachse angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen für eine zweite Brennstoffmenge,
vorzugsweise eine Vormischbrennstoffmenge, aufweist, welche zweite Brennstoffzuführungen
unabhängig von der bzw. den ersten Brennstoffzuführungen mit Brennstoff beaufschlagbar
ist/sind. Der vorgeschlagene Brenner zeichnet sich in dadurch aus, dass in dem Drallraum
ein Innenkörper angeordnet ist, wobei die Brennstoff-Austrittsöffnungen wenigstens
einer zweiten Brennstoffzuführung im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse verteilt
auf dem Innenkörper angeordnet sind. Bei dem Innenkörper handelt es sich bei einer
Ausführungsform um eine Brennstofflanze, die im Drallraum auf der Brennerachse angeordnet
ist.
[0015] Vorzugsweise sind eine oder mehrere der ersten Gruppen von Brennstoff-Austrittsöffnungen
im Bereich zumindest einer der Brennluft-Eintrittsöffnungen angeordnet.
[0016] Unter einer Anordnung im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse ist in der vorliegenden
Anmeldung eine Anordnung auf Achsen zu verstehen, die parallel oder unter einem Winkel
< 45° zur Brennerachse verlaufen.
[0017] In einer möglichen Ausführungsform des vorliegenden Brenners sind auch einige der
zweiten Brennstoffzuführungen unmittelbar neben den ersten Brennstoffzuführungen,
vorzugsweise parallel zu diesen, angeordnet. Hierbei sollte zumindest eine zweite
Brennstoffzuführung neben jeder ersten Brennstoffzuführung vorgesehen sein.
[0018] Es können kegelförmige Drallerzeuger, wie sie aus den eingangs genannten Druckschriften
des Standes der Technik bekannt sind, beispielsweise mit zwei, vier oder mehr Lufteintrittsschlitzen,
eingesetzt werden. Auch andere Geometrien, wie zylindrische Drallerzeuger oder zylindrische
Drallerzeuger mit konischen oder zylindrischen Innenkörpern lassen sich einsetzen.
[0019] Einige der zweiten Brennstoffzuführungen sind in einer Ausführungsform des Brenners
an der Aussenschale des Drallkörpers und hierbei insbesondere an den Lufteintrittsschlitzen
entlang dieser angeordnet. Wesentlich beim vorliegenden Brenner ist, dass die zweiten
Brennstoffzuführungen mehrere im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse verteilte
Brennstoff-Austrittsöffnungen aufweisen, um eine ausreichende Vormischung erzielen
zu können. Die Austrittsöffnungen liegen in der Regel auf parallel oder unter einem
durch eine Kegelform des Drallerzeugers oder Innenkörpers vorgegebenen Winkel zur
Brennerachse verlaufenden Achsen.
[0020] Je nach angestrebten Einflussmöglichkeiten auf die Vormischung können die zweiten
Brennstoff-Austrittsöffnungen der zweiten Brennstoffzuführungen im Vergleich zu den
ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen andere gegenseitige Abstände oder Durchströmquerschnitte
aufweisen. Gerade bei einer Anordnung, bei der unmittelbar neben einer ersten Brennstoffzuführung
auch zumindest eine zweite Brennstoffzuführung vorgesehen ist, können die jeweiligen
Brennstoff-Austrittsöffnungen auch die gleichen gegenseitigen Abstände aufweisen,
jedoch versetzt zueinander angeordnet sein. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Eindüsung
des Vormischbrennstoffes in den Drallraum. Weiterhin können beispielsweise die ersten
Brennstoff-Austrittsöffnungen über die gesamte axiale Erstreckung der Brennluft-Eintrittsöffnungen,
die zweiten Brennstoff-Austrittsöffnungen jedoch nur in einem bestimmten axialen Teilbereich
angeordnet sein. In gleicher Weise ist es auch möglich, die ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen
nur in einem ersten axialen Teilbereich und die zweiten Brennstoff-Austrittsöffnungen
nur in einem sich an den ersten Teilbereich anschließenden zweiten axialen Teilbereich
vorzusehen - oder umgekehrt. Unterschiedliche Einflussmöglichkeiten auf den Betrieb
des Brenners aufgrund dieser unterschiedlichen Ausgestaltungsmöglichkeiten, deren
Kombination keine praktischen Grenzen gesetzt sind, lassen sich den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
[0021] Zur voneinander unabhängigen Beaufschlagung der ersten und der zweiten Brennstoffzuführungen
mit dem Vormischbrennstoff sind diese mit unterschiedlichen Anschlüssen ausgestattet.
Vorzugsweise sind zusätzlich Mittel zur voneinander unabhängigen Regelung oder Steuerung
der Vormischbrennstoffzufuhr zu den ersten und den zweiten Brennstoffzuführungen vorgesehen.
Die unterschiedliche Zufuhr kann beispielsweise durch ein geeignetes Regelventil gesteuert
werden.
[0022] Durch eine Ausgestaltung, bei der auch mehrere der zweiten Brennstoff-Zuführungen
unabhängig voneinander mit Vormischbrennstoff beaufschlagbar sind - und beaufschlagt
werden, lässt sich eine noch feiner abgestufte Anpassung der Mischungsverteilung und
der Mischgüte an unterschiedliche Randbedingungen vornehmen.
[0023] Weiterhin schliesst die Erfindung auch solche Ausgestaltungen ein, bei denen neben
ersten und zweiten auch dritte, vierte usw. Brennstoffzuführungen vorhanden und unabhängig
mit Brennstoff beaufschlagbar sind.
[0024] Zum Betrieb des Brenners wird die Zufuhr des Brennstoffes über die ersten Brennstoffzuführungen
getrennt von der Zufuhr des Brennstoffes über die zweiten Brennstoffzuführungen gesteuert
oder geregelt, wobei der/den ersten und zweiten Brennstoffzuführungen der gleiche
Brennstoff zugeführt wird. Über die Steuerung des Massenstromverhältnisses der über
die ersten Brennstoffzuführungen zugeführten ersten Brennstoffmenge zu einer über
die zweiten Brennstoffzuführungen zugeführten zweiten Brennstoffmenge während des
Betriebes des Brenners lässt sich der Brenner auch bei Änderungen der Last, der Gasqualität
oder der Gasvorwärmtemperatur mit annähernd konstanten NO
x-Emissionswerten stabil betreiben.
[0025] In der bevorzugten Ausführungsform wird hierbei der Brennstoff als Vormischbrennstoff
eingesetzt und in variablem Massenstromverhältnis auf die ersten und zweiten Zuführungen
aufgeteilt. Die Einspeisung von Vormischbrennstoff unterscheidet sich von der Einspeisung
von Pilotbrennstoff, d.h. von Brennstoff für die Realisierung einer Pilotstufe, dadurch,
dass Vormischbrennstoff mit einem höheren Impuls, vorzugsweise quer zur Strömung der
Verbrennungsluft, in den Drallraum eingebracht wird. Bei der Einbringung von Brennstoff
als Pilotbrennstoff hingegen wird der Brenner in einem Diffusionsmodus betrieben.
[0026] Vorzugsweise wird der Brennstoff lastabhängig auf die ersten und zweiten Brennstoffzuführungen
verteilt in den Brenner eingebracht.
[0027] Bei einer weiteren bevorzugten Betriebsweise des Brenners wird in einem ersten Betriebszustand
im Wesentlichen die gesamte Brennstoffmenge über den bzw. die ersten Brennstoffzuführungen
zugeführt und über die erste Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen in den Verbrennungsluftstrom
eingebracht, und in einem weiteren Betriebszustand wenigstens ein Teil der gesamten
Brennstoffmenge über wenigstens eine der zweiten Brennstoffzuführungen mit der zweiten
Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen in den Verbrennungsluftstrom eingebracht.
[0028] Wird der Brenner in einem Wärmeerzeuger betrieben, so kann in einem Teillastzustand
des Wärmeerzeugers der gesamte Brennstoff über die ersten Brennstoffzuführungen zugeführt
werden, und im Volllastbetrieb des Wärmeerzeugers der Brennstoff auf die ersten Brennstoffzuführungen
und eine oder mehrere zweite Brennstoffzuführungen aufgeteilt werden.
[0029] Neben der oben angeführten lastabhängigen Verteilung des Brennstoffes auf die ersten
und zweiten Brennstoffzuführungen läßt sich die Verteilung auch nach anderen Betriebsgrößen
steuern. So kann der Brennstoff beispielweise auch in Abhängigkeit von gemessenen
Brennkammer-Pulsationen einer Gasturbine, von Schadstoffemissionen, von gemessenen
Materialtemperaturen, von der durch einen Flammenpositionssensor erfassten Flammenposition
oder von sonstigen Mess- oder Betriebsparametern auf die ersten und zweiten Brennstoffzuführungen
verteilt werden.
[0030] Durch die ein oder mehreren zweiten Brennstoffzuführungen, durch die die Menge an
Vormischbrennstoff, die über die zweite Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen in
den Drallraum eingedüst wird, - und somit auch der Brennstoffvordruck - unabhängig
von der Menge an Vormischbrennstoff eingestellt werden kann, die über die ersten Brennstoffzuführungen
strömt, lässt sich eine einfache Anpassung der Mischungsverteilung und der Mischgüte
an unterschiedliche Randbedingungen erreichen. Weiterhin kann durch diese Ausgestaltung
auch ein Ausgleich unterschiedlicher Wobbezahlen erreicht werden, indem beispielsweise
die ersten Brennstoffzuführungen eine bestimmte Leistung oder einen bestimmten Volumenstrom
tragen und der Rest der Leistung oder des Volumenstroms über die zweiten Brennstoffzuführungen
gefahren wird. Durch geeignete Anordnung der zweiten Brennstoffzuführungen mit den
entsprechenden zweiten Gruppen von Brennstoff-Austrittsöffnungen relativ zu den ersten
Brennstoffzuführungen mit den ersten Gruppen von Brennstoff-Austrittsöffnungen lässt
sich die axiale und radiale Brennstoffverteilung im Brenner günstig beeinflussen.
So ist es möglich, im Teillastbetrieb in bestimmten Bereichen des Brenneraustritts
eine gezielte Anreicherung des Gemisches mit Brennstoff zu erzielen, um die Flammenstabilität
zu verbessern. Bei hoher Brennerlast kann der Brennstoff dann gleichmässig verteilt
werden, was in geringen Emissionen resultiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0031] Der vorgeschlagene Brenner sowie das ebenfalls beschriebene Betiebsverfahren werden
nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher
erläutert. Hierbei zeigen:
- Figur 1
- ein erstes Beispiel für einen vorgeschlagenen Brenner;
- Figur 2
- ein zweites Beispiel für einen vorgeschlagenen Brenner;
- Figur 3
- ein drittes Beispiel für einen vorgeschlagenen Brenner;
- Figur 4
- ein Beispiel für die Betriebsweise eines vorgeschlagenen Brenners; und
- Figur 5
- ein viertes Beispiel für einen vorgeschlagenen Brenner;
- Figuren 6 bis 11
- Beispiele für die Ausgestaltung des Konturverlaufs des Drallerzeugers eines vorgeschlagenen
Brenners;
- Figuren 12 und 13
- Beispiele für Ausgestaltungen der Drallerzeuger im Querschnitt ;
- Figuren 14 und 15
- schematisch zwei Beispiele für die Ausgestaltung der Brennstoffzuführungen zum Betrieb
eines vorgeschlagenen Brenners.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0032] In den folgenden Figuren sind die Brenner in stark schematisierter Ausführung dargestellt,
so dass lediglich jeweils an einer Position die für die jeweilige Erläuterung wesentlichen
Merkmale herausgestellt sind. Die weitere Gestaltung der dargestellten Brenner ist
dem Fachmann unter anderem aus den als Stand der Technik zitierten Dokumenten geläufig,
die einen integrierenden Bestandteil der vorliegenden Beschreibung darstellen. Weiterhin
wird bei den Ausführungsbeispielen teilweise auf die Eindüsung von gasförmigem Brennstoff
Bezug genommen. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch flüssiger Brennstoff
über die Brennstoff-Austrittsöffnungen in den Verbrennungsluftstrom eingebracht werden
kann. Der Brennstoff wird weiterhin als Vormischbrennstoff referiert; es versteht
sich von selbst, dass ein Teil der gesamten Brennstoffmenge in bestimmten Lastbereichen
auch als Pilotbrennstoff zur weiteren Erhöhung der Flammenstabilität eingebracht werden
kann. Zuführungen für Pilotbrennstoff sind in keiner der Figuren dargestellt, da sie
nicht erfindungswesentlich sind; in Kenntnis des Standes der Technik wird der Fachmann
diese aber ohne Weiteres in die exemplarisch dargestellten Brenner zu implementieren
wissen, falls er dies für nötig erachtet.
[0033] Erste beispielhafte Ausführungsformen eines in den Patentansprüchen beschriebenen
Brenners sind in den Figuren 1 bis 3 zu dargestellt. Die dargestellten Brenner umfassen
den kegelförmigen Drallkörper 1, in dessen Außenschalung an den Einströmkanten der
Lufteintrittsschlitze eine erste Gruppe von Austrittsöffnungen 6 für Vormischgas angeordnet
sind. Die Brenner sind weiterhin mit einer zentralen Brennstofflanze 12 ausgestattet,
die an ihrem brennkammerseitigen Ende, d.h. an ihrer Spitze, eine Düse aufweisen kann
- wie im vorliegenden Beispiel-, die für einen flüssigen Brennstoff 13 oder für einen
Pilotbrennstoff verwendbar ist. Um diese Düse herum können in bekannter Weise Austrittsöffnungen
für Schirmluft 14 vorgesehen sein. Neben den Brennstoffzuführungen zu der ersten Gruppe
von Austrittsöffnungen 6 und einer Brennstoffzuführung zur Eindüsung flüssigen Brennstoffes
13 an der Spitze der Brennstofflanze 12 weisen die dargestellten Brenner eine weitere
Brennstoffzuführung zu einer zweiten Gruppe von Austrittsöffnungen 8 in der Brennstofflanze
12 auf. Die Austrittsöffnungen 8 der zweiten Gruppe sind im Wesentlichen in Richtung
der Brennerachse in der Mantelfläche der Brennstofflanze 12 angeordnet, wie in den
Figuren 19 bis 21 ersichtlich ist, und vorzugsweise radialsymmetrisch um die Achse
der Brennstofflanze 12 verteilt. Sie ermöglichen die radial von der Brennstofflanze
12 nach außen gerichtete Eindüsung von Brennstoff in den Drallraum. Die Anzahl und
Größe dieser Austrittsöffnungen 8 sowie deren Verteilung auf der Brennstofflanze 12
- in axialer Richtung und Umfangsrichtung - wird in Abhängigkeit von den jeweiligen
Anforderungen des Brenners wie Löschgrenzen, Pulsationen und Rückschlaggrenzen gewählt.
[0034] Die Brennstofflanze 12 kann sich relativ weit in den Drallraum erstrecken, sogenannter
"Long Lance EV Brenner", wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, oder auch nur ein
kurzes Stück in den Drallraum ragen wie in der Figur 3 dargestellt. In beiden Fällen
ist die zweite Gruppe von Austrittsöffnungen 8 vorzugsweise im hinteren, d.h. am weitesten
von der Brennkammer entfernten, Bereich des Drallraums an der Brennstofflanze 12 angeordnet,
wie in den Figuren angedeutet.
[0035] Selbstverständlich läßt sich auch bei diesen Ausführungsbeispielen die Brennstoffzufuhr
zu der ersten Gruppe von Austrittsöffnungen 6 unabhängig von der Brennstoffzufuhr
zu der zweiten Gruppe von Austrittsöffnungen 8 mit Brennstoff steuern oder regeln.
[0036] Die Ausführungsform der Fig. 1 läßt eine sehr vorteilhafte gestufte Betriebsweise
des Brenners zu, bei der sowohl die Brennstoffzuführungen zu der ersten Gruppe von
Austrittsöffnungen 6 als auch die Brennstoffzuführungen zur zweiten Gruppe von Austrittsöffnungen
8 mit Vormischgas gespeist werden. Die Unabhängige Steuermöglichkeit der Brennstoffzufuhr
zur ersten und zweiten Gruppe von Austrittsöffnungen 6, 8 ermöglicht eine an die jeweiligen
Betriebsbedingungen des Brenners oder der den Brenner nutzenden Anlage optimal angepasste
Betriebsweise. Der zweiten Gruppe von Austrittsöffnungen 8 an der Brennstofflanze
12 liegen bei diesem Beispiel Austrittsöffnungen der ersten Gruppe von Austrittsöffnungen
6 am Drallkörper 1 gegenüber, so dass die erste und zweite Gruppe von Austrittsöffnungen
6, 8 in bestimmten Betriebszuständen beispielsweise auch ausschließlich, d.h. ohne
die jeweils andere Gruppe, mit Brennstoff versorgt werden kann.
[0037] Prinzipiell kann der in der Figur dargestellte Brenner bei entsprechender Zufuhr
des Brennstoffes und entsprechender Ausgestaltung der zweiten Gruppe von Austrittsöffnungen
über diese Austrittsöffnungen 8 auch im Diffusionsmodus betrieben werden. Durch die
räumliche Trennung der Austrittsöffnungen 8 von der Eindüsung flüssigen Brennstoffes
13 an der Spitze der Brennstofflanze 12 lässt sich in diesem Fall im Gegensatz zu
bekannten Brennern das Eindringen von Brennstofftropfen oder von Brennstoffdampf in
das Brennstoffzufuhrsystem für die zweite Gruppe von Austrittsöffnungen 8 vermeiden.
[0038] Figur 2 zeigt eine Ausführungsform eines Brenners, die ebenfalls in der sehr vorteilhaften
gestuften Betriebsweise betrieben werden kann. An den der zweiten Gruppe von Austrittsöffnungen
8 gegenüberliegenden Bereichen des Drallkörpers 1 sind die Austrittsöffnungen 6 geschlossen
bzw. es sind keine Austrittsöffnungen 6 vorgesehen, da deren Funktion von den Austrittsöffnungen
8 auf der Brennstofflanze 12 übernommen wird. Figur 21 zeigt den gleichen Brenner
mit verkürzter Brennstofflanze 12, der für die gleiche Betriebsweise ausgebildet ist.
[0039] Bei dem Betrieb dieser Brenner werden beide Gruppen von Austrittsöffnungen 6, 8 mit
Vormischgas beaufschlagt. Zündung und Anfahren des Brenners erfolgen in einer Betriebsweise,
bei der das Vormischgas hauptsächlich über die Austrittsöffnungen 8 an der Brennstofflanze
12, im folgenden auch als Stufe 1 bezeichnet, in den Drallraum eingebracht wird. Bei
steigender Last wird die Zufuhr des Vormischgases zur Stufe 1 verringert und die Zufuhr
von Vormischgas über die erste Gruppe von Austrittsöffnungen 6, im folgenden als Stufe
2 bezeichnet, erhöht. Eine derartige Verteilung des Vormischbrennstoffes auf die Stufen
1 und 2 in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Brenners kann beispielhaft der Figur
4 entnommen werden. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise eine Gasturbine mit einem
derartigen Brenner von der Zündung bis zur Grundlast ohne eine Pilotstufe betreiben.
[0040] Eine weitere Ausführungsform eines Brenners, in diesem Beispiel unter Einsatz eines
zylindrischen Drallerzeugers 1 mit konischem Innenkörper 9, für die Durchführung des
vorliegenden Verfahrens ist beispielhaft in der Figur 5 dargestellt. Figur 5 zeigt
hierbei wiederum den ersten 5 und den zweiten Zuführkanal 7 mit den entsprechenden
Austrittsöffnungen 6, 8. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 ist der erste Zuführkanal
in der Außenschalung des Drallkörpers 1 angeordnet und der zweite Zuführkanal 7 ist
am zylindrischen Innenkörper 9 angeordnet. Der zweite Zuführkanal 7 ist hierbei vorzugsweise
innerhalb der Außenwandung des Innenkörpers 9 angeordnet, wobei auch in diesem Fall,
wie bei den vorangehenden Beispielen eine symmetrische Verteilung mehrerer Zuführkanäle
7 um die Brennerachse 3 gewählt werden kann. Bei diesem Beispiel ist es jedoch auch
möglich, die zweite Zuführleitung 7 zentral im Innenkörper 9 verlaufen zu lassen,
wobei dann die Austrittsöffnungen 8 über entsprechende radial verlaufende Kanäle zum
Drallraum 2 ausgebildet sein müssen. Im vorderen sich verjüngenden Bereich des Innenkörpers
9 können auch eine oder mehrere zusätzliche Austrittsöffnungen mit einer entsprechend
getrennten Zuführung für Brennstoff (als Pilotstufe) oder Luft vorgesehen sein.
[0041] Die Figuren 6 bis 9 zeigen schematisch Beispiele von Drallerzeugergeometrien, mit
welchen der beschriebene Brenner verwirklicht werden kann. In den Figuren sind von
oben nach unten ein Brenner mit kegelförmigem Drallkörper 1 und konischem Innenkörper
9, ein Brenner mit in Form eines umgekehrten Kegels ausgebildetem Drallkörper 1 und
konischem Innenkörper 9, ein Brenner mit tulpenförmigem sowie ein Brenner mit trichterförmigem
Drallkörper 1 dargestellt. Bei sämtlichen dieser Brennergeometrien können wie in den
vorangegangenen Beispielen die zweiten Zuführungen sowohl im Drallkörper 1 wie auch
im Innenkörper 9 angeordnet sein. Allen hier gezeigten Geometrien ist gemeinsam, dass
der axiale Durchflussquerschnitt des Drallraumes im Bereich des Drallkörpers zum Brenneraustritt
hin zunimmt. Dies ist zwar keine absolut notwendige Voraussetzung für einen gattungsgemässen
Vormischbrenner, ist aber eine vorteilhafte Ausführungsform der Drallerzeuger.
[0042] Weiterhin können sämtliche Brennergeometrien mit einem Vormischrohr 10 versehen sein,
wie dies beispielhaft in Figur 10 für einen Kegelbrenner und in Figur 11 für einen
zylinderförmigen Brenner mit konischem Innenkörper 9 veranschaulicht ist.
[0043] Dem Fachmann ist ersichtlich, dass die Verwirklichung der vorliegenden Erfindung
mit unterschiedlichsten Brennertypen sowie Kombinationen von Drallkörpern, Innenkörpern,
Vormischrohren und anderen bekannten Merkmalen von Brennern möglich ist.
[0044] Die Figuren 12 und 13 zeigen schließlich schematisch zwei Beispiele für den Aufbau
eines Drallkörpers im Querschnitt, wie er beim erfindungsgemäßen Brenner eingesetzt
werden kann. In Figur 12 ist ein Drallkörper dargestellt, der sich aus vier gegeneinander
versetzten Schalen 1a, 1b, 1c, 1d zusammensetzt, die in der dargestellten Anordnung
vier tangentiale Lufteintrittschlitze 4 bilden. Die Schalen können im gezeigten Querschnitt
unterschiedlich, beispielsweise kreissegmentförmig, elliptisch oder oval, ausgeformt
sein. Bei der dargestllten Konfiguration sind die Teilkörper 1a, 1b, 1c, 1d so angeordnet,
dass deren jeweilige Mittelachsen 3a, 3b, 3c, 3d versetzt zur eigentlichen Brennerachse
angeordnet sind. Die Ausgestaltung eines Brenners, mit oder ohne Vormischrohr, mit
einer derartigen Geometrie kann im Detail der der EP 321 809 oder der EP 0780629 entnommen
werden. In Figur 13 ist ein monolithischer Drallkörper 1 mit darin eingebrachten tangentialen
Lufteintrittsöffnungen 4 dargestellt. Die Lufteintrittsöffnungen 4 können beispielsweise
als eingefräste Lufteintrittsschlitze oder als Reihen von Lufteintrittsbohrungen ausgebildet
sein.
[0045] Die Figuren 14 und 15 zeigen Beispiele für die Zufuhr einer Brennstoffmenge P0 zum
Brenner. Bei beiden Beispielen verzweigt die Brennstoffleitung, um die Gesamtbrennstoffmenge
P0 auf eine Brennstoffmenge P1 für die erste Gruppe von Austrittsöffnungen 6 und auf
eine Brennstoffmenge P2 für die zweite Gruppe von Austrittsöffnungen 8 aufzuteilen.
[0046] In Figur 14 erfolgt die Einstellung des Aufteilungs- bzw. Massenstromverhältnisses
über je ein Ventil 15 und 16 in jedem der Verzweigungen. Figur 15 zeigt eine Ausführungsform,
bei der ein Ventil 16 vor der Verzweigung zur Einstellung der Gesamtbrennstoffmenge
P0 und ein weiteres Ventil 15 in der Verzweigung zur ersten Gruppe von Austrittsöffnungen
6 angeordnet ist. Durch Steuerung des Ventils 15 läßt sich auch hier das Massenstromverhältnis
zwischen P1 und P2 ändern. Selbstverständlich kann in diesem Beispiel das Ventil 15
auch in der Verzweigung zur zweiten Gruppe von Austrittsöffnungen 8 angeordnet sein.
[0047] Weiterhin lassen sich über eine derartige Anordnung auch mehrere Brenner gleichzeitig
in dem eingestellten Massenstromverhältnis mit Brennstoff versorgen, wie durch die
gestrichelten Linien in den Figuren angedeutet ist.
[0048] Bei beiden beispielhaften Ausführungsformen wird das Massenstromverhältnis P1/P2
durch Ansteuerung der Ventile in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Brenners verändert.
Die Änderung des Massenstromverhältnisses kann in Abhängigkeit von verschiedenen Mess-
und Betriebskennwerten gesteuert oder geregelt werden, wie dies bereits in einem vorangegangenen
Teil der vorliegenden Beschreibung ausgeführt wurde. Die dargestellten Ausgestaltungen
sind unabhängig von der Brennergeometrie und lassen sich bei allen Brennern der vorangegangenen
Ausführungsbeispiele einsetzen.
Bezugszeichenliste
[0049]
- 1
- Drallerzeuger
- 1a
- Drallerzeuger-Teilkörper
- 1b
- Drallerzeuger-Teilkörper
- 1c
- Drallerzeuger-Teilkörper
- 1d
- Drallerzeuger-Teilkörper
- 2
- Drallraum
- 3
- Brennerachse
- 3a
- Achse eines Drallerzeuger-Teilkörpers
- 3b
- Achse eines Drallerzeuger-Teilkörpers
- 3c
- Achse eines Drallerzeuger-Teilkörpers
- 3d
- Achse eines Drallerzeuger-Teilkörpers
- 4
- Eintrittsöffnungen/Luftschlitze
- 5
- erste Brennstoffzuführungen
- 6
- erste Brennstoff-Austrittsöffnungen
- 7
- zweite Brennstoffzuführungen
- 8
- zweite Brennstoff-Austrittsöffnungen
- 9
- Innenkörper
- 10
- Vormischrohr
- 11
- Verbrennungsluft
- 12
- Brennstofflanze
- 13
- flüssiger Brennstoff
- 14
- Abschirmluft
- 15
- Steuerventil
- 16
- Steuerventil
- P0
- Gesamtbrennstoffmenge
- P1
- erster Vormischbrennstoff
- P2
- zweiter Vormischbrennstoff
1. Brenner, im Wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (1) für einen Verbrennungsluftstrom
(11), einem Drallraum (2) und Mitteln zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom,
wobei der Drallerzeuger (1) Brennluft-Eintrittsöffnungen (4) für den tangential in
den Drallraum (2) eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist, die Mittel zur Einbringung
von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom wenigstens eine erste Brennstoffzuführung
(5) mit einer ersten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung einer Brennerachse (3)
angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen (6) für eine erste Vormischbrennstoffmenge
(P1) umfassen und der Brenner eine oder mehrere zweite Brennstoffzuführungen (7) mit
einer zweiten Gruppe von im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse (3) angeordneten
Brennstoff-Austrittsöffnungen (8) für eine zweite Brennstoffmenge (P2) aufweist, welche
zweite Brennstoff-zuführungen (7) unabhängig von den ersten Brennstoffzuführungen
(5) mit Brennstoff beaufschlagbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Drallraum (2) ein Innenkörper (9, 10) angeordnet ist, wobei die Brennstoff-Austrittsöffnungen
(8) wenigstens einer zweiten Brennstoffzuführung (7) im Wesentlichen in Richtung der
Brennerachse (3) verteilt auf dem Innenkörper (9) angeordnet sind.
2. Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Innenkörper (9) eine Brennstofflanze (12) ist, die an ihrem brennraumseitigen
Ende zumindest eine Austrittsdüse für flüssigen Brennstoff (13) und/oder Pilotbrennstoff
aufweist.
3. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die auf dem Innenkörper (9) in Richtung der Brennerachse (3) verteilt angeordneten
Brennstoff-Austrittsöffnungen (8) in einem vom brennraumseitigen Ende entfernten axialen
Teilbereich des Innenkörpers (9) angeordnet sind.
4. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen (8) für die Zufuhr von Vormischbrennstoff
ausgebildet ist.
5. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens eine der Gruppen von Brennstoff-Austrittsöffnungen im Bereich zumindest
einer der Brennluft-Eintrittsöffnungen (4) angeordnet ist.
6. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste Brennstoffzuführungen (5) und mehrere zweite Brennstoffzuführungen
(7) vorgesehen sind, wobei jeder der ersten Brennstoffzuführungen (5) wenigstens eine
zweite Brennstoffzuführung (7) zugeordnet ist.
7. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zweite Brennstoffzuführungen (7) unmittelbar benachbart zu ersten Brennstoffzuführungen
(5) angeordnet sind.
8. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluft-Eintrittsöffnungen (4) im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse
(3) verlaufende tangentiale Eintrittsschlitze sind.
9. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass entlang jedem Eintrittsschlitz eine erste Brennstoffzuführung (5) mit einer ersten
Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen (6) angeordnet ist.
10. Brenner nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass entlang jedem Eintrittsschlitz wenigstens eine zweite Brennstoffzuführung (7) mit
einer zweiten Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen (8) angeordnet ist.
11. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Austrittsöffnungen (8) einer oder mehrerer zweiter Brennstoffzuführungen
(7) auf axialen Positionen zwischen den Brennstoff-Austrittsöffnungen (6) einer oder
mehrerer ersten Brennstoffzuführungen (5) angeordnet sind.
12. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Austrittsöffnungen (6, 8) aller Gruppen über die gesamte axiale Erstreckung
der Brennluft-Eintrittsöffnungen (4) verteilt sind.
13. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Austrittsöffnungen (6, 8) wenigstens einer der Gruppen über die gesamte
axiale Erstreckung der Brennluft-Eintrittsöffnungen (4) und die Brennstoff-Austrittsöffnungen
(6, 8) wenigstens einer weiteren Gruppe über einen axialen Teilbereich der Brennluft-Eintrittsöffnungen
(4) verteilt sind.
14. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Austrittsöffnungen (6, 8) zumindest einer der Gruppen auf einem ersten
axialen Teilbereich der Brennluft-Eintrittsöffnungen (4) und die Brennstoff-Austrittsöffnungen
(6, 8) anderer Gruppen auf weiteren axialen Teilbereichen der Brennluft-Eintrittsöffnungen
(4) verteilt sind.
15. Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Teilbereiche sich nicht überlappen.
16. Brenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens zwei der axialen Teilbereiche zumindest teilweise überlappen.
17. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Austrittsöffnungen (6, 8) von zwei oder mehreren Gruppen unterschiedliche
Durchströmquerschnitte aufweisen.
18. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur unabhängigen Steuerung der Vormischbrennstoffzufuhr zu der bzw. den ersten
(5) und zu der bzw. den zweiten Brennstoffzuführungen (7) vorgesehen sind.
19. Brenner nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur unabhängigen Steuerung der Vormischbrennstoffzufuhr eine gemeinsame
Brennstoffleitung aufweisen, die in eine erste Zufuhrleitung zu der bzw. den ersten
(5) und in eine zweite Zuführleitung zu der bzw. den zweiten Brennstoffzuführungen
(7) verzweigt, wobei zumindest in einer der Zufuhrleitungen ein Ventil (15, 16) zur
Einstellung der Durchflussmenge an Brennstoff angeordnet ist.
20. Brenner nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der zweiten Brennstoffzuführungen (7) unabhängig voneinander mit Brennstoff
beaufschlagbar sind.