Die Erfindung betrifft einen Brenner zur vormischartigen Verbrennung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners gemäß Anspruch 22.

Im Hinblick auf immer strengere Bestimmungen zum Ausstoß von Schadstoffen werden große Anstrengungen unternommen, Brenner zu schaffen, deren Schadstoffausstoß, insbesondere von Stickoxiden, gering ist. Eine bevorzugte Anordnung sind dabei Brenner in Form kegelförmiger Hohlkörper, die tangentiale Lufteintrittsschlitze aufweisen. Verbrennungsluft strömt durch die Lufteintrittsschlitze in den kegelförmigen Brennerhohlraum. Über Brennstoffaustrittsöffnungen an den Kanten der Lufteintrittsschlitze wird dem Verbrennungsluftstrom Brennstoff, insbesondere gasförmiger Brennstoff, zugeführt. Außerdem wird flüssiger Brennstoff an der Kegelspitze in den kegelförmigen Brennerhohlraum eingebracht, insbesondere eingesprüht. Die Verbrennung erfolgt am Ausgang des kegelförmigen Brennerhohlraums.

Die EP 0 321 809 A1 beschreibt ein Verfahren für die vormischartige Verbrennung von flüssigem Brennstoff, bei dem sich im Inneren des Kegelhohlraums eine kegelförmige Flüssigbrennstoffsäule ausbildet, welche von einem tangential in den Brenner einströmenden rotierenden Verbrennungsluftstrom umschlossen wird. Die Zündung des Gemischs findet am Ausgang des Brenners statt, wobei sich im Bereich der Brennermündung eine Flammenstabilisierung durch die Bildung einer Rückströmzone einstellt. Ebenfalls beschrieben ist ein entsprechender Brenner, der zwei zueinander versetzte Teilkegelkörper zur Bildung eines kegelförmigen Brennerhohlraums, eine mittig zwischen den zueinander versetzten Längssymmetrieachsen der Teilkegelkörper angebrachte Brennstoffeindüsung und tangentiale Lufteintrittsschlitze aufweist. Die Brennstoffaustrittsöffnungen zur Einbringung des Vormischbrennstoffs sind an den Kanten der Lufteintrittsschlitze angebracht. Um eine ausreichende Vermischung des Vormischbrennstoffs mit der Verbrennungsluft über die gesamte Breite des Lufteintrittsschlitzes zu erreichen, ist ein hoher Druck zur Eindüsung des Vormischbrennstoffs in den mit hoher Geschwindigkeit zuströmenden Verbrennungsluftstrom erforderlich. Da die Eindüsung von einer Seite des Lufteintrittsschlitzes geschieht und damit keine über die gesamte Breite des Lufteintrittsschlitzes homogene Vermischung des Vormischbrennstoffs mit der Verbrennungsluft erreicht wird, werden keine optimalen Stickstoffausstoßwerte erzielt.

Die EP 0 981 016 B1 beschreibt einen Brenner, der ebenfalls den oben beschriebenen kegelförmigen Aufbau mit tangentialen Lufteintrittsschlitzen für die Einbringung eines Verbrennungsluftstroms aufweist. Auch dieser Brenner weist eine Eindüsungsvorrichtung zur Eindüsung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom auf. Diese Eindüsungsvorrichtung ist zentral im Verbrennungsluftstrom vor den Lufteintrittsschlitzen angeordnet, um den Brennstoff in paralleler Strömungsrichtung zum Verbrennungsluftstrom einzudüsen.

Die WO 01/96785 A1 beschreibt einen Brenner und ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb eines Brenners, bei dem zwei oder mehrere Brennstoffzuführungen mit im wesentlichen in Richtung der Brennerachse angeordneten Brennstoffaustrittsöffnungen vorgesehen sind, die getrennt voneinander Vormischbrennstoff in den Brennerraum einbringen können. Dadurch kann eine gestufte Eindüsung von Brennstoff in den Brennerraum erreicht werden, die sich den sich ändernden Bedingungen beim Betrieb des Brenners anpasst, die beispielsweise durch unterschiedliche Lasten, Gasqualitäten oder Gasvorwärmtemperaturen entstehen.

Die DE 100 49 205 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Brennstoffversorgung eines Vormischbrenners, bei dem die Vormischbrennstoffzuführung über wenigstens zwei räumlich axial getrennte Bereiche entlang des Brenners durchgeführt wird, so dass für das Anfahren der Turbine und für das weitere Hochfahren der Last bis hin zur Volllast eine stufenweise oder kontinuierliche Umverteilung der Zuführung des Vormischbrennstoffs zwischen den Bereichen erfolgt.

Die US-5489203 beschreibt einen Brenner, der ebenfalls den oben beschriebenen kegelförmigen Aufbau mit tangentialen Lufteintrittsschlitzen und eine Eindüsungsvorrichtung zur Eindüsung von Brennstoff in der Ebene der Lufteintrittsschlitze aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Brenner zur vormischartigen Verbrennung und ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners vorzuschlagen, die eine stabile vormischartige Verbrennung mit einer möglichst homogenen Vermischung des Vormischbrennstoffs mit der Verbrennungsluft bei reduziertem Schadstoffausstoß ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch einen Brenner zur vormischartigen Verbrennung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners mit den Merkmalen von Anspruch 22 gelost. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass die zentral im Zuströmungsbereich des Verbrennungsluftstroms angebrachten Mittel zur Eindüsung von Vormischbrennstoff in die tangentialen Lufteintrittsschlitze eines Brennerhohlraums derart ausgebildet sind, dass sie bezogen auf eine Querschnittsebene senkrecht zur Brennerachse den Vormischbrennstoff nicht nur zentral, sondern auch an mehr als einer Stelle in den Verbrennungsluftstrom eindüsen, um eine möglichst homogene Vermischung des Vormischbrennstoffs mit der Verbrennungsluft zu erreichen. Somit wird ein hoher Schadstoffausstoß, insbesondere von Stickoxiden, aufgrund unzureichender Vormischung vermieden.

Ein weiterer Gedanke der Erfindung besteht auch darin, daß die Brennstoffzuführungen vor den Lufteintrittsschlitzen bezogen auf die Richtung des Verbrennungsluftstromes angebracht sind. Damit können sie in einem Bereich einer niedrigeren Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms als direkt in den Lufteintrittsschlitzen angeordnet sein. Aerodynamische Verluste und der erforderliche Druck für die Eindüsung des Vormischbrennstoffs können so verringert werden.

Die Erfindung betrifft nun konkret einen Brenner zur vormischartigen Verbrennung, der einen Hohlraum, der mindestens einen tangentialen Lufteintrittsschlitz für die Zuführung eines Verbrennungsluftstroms aufweist, Mittel zur Eindüsung von Brennstoff in den Hohlraum, die im Bereich einer Brennerachse angebracht sind, und Mittel zur Eindüsung von Vormischbrennstoff in den mindestens einen Lufteintrittsschlitz, die zentral im Zuströmungsbereich des Verbrennungsluftstroms angebracht sind, umfasst. Die Mittel zur Eindüsung von Vormischbrennstoff in den mindestens einen Lufteintrittsschlitze weisen mindestens eine Brennstoffzuführung auf, deren Brennstoffaustrittsöffnungen derart angeordnet sind, dass der Vormischbrennstoff beidseitig der mindestens einen Brennstoffzuführung bezogen auf eine Querschnittsebene senkrecht zur Brennerachse in den Verbrennungsluftstrom eingebracht wird. Damit kann eine über die gesamte Breite des Lufteintrittsschlitzes relativ homogene Vermischung des Vormischbrennstoffs mit der Verbrennungsluft und daher verbesserte Stickstoffausstoßwerte erzielt werden. Außerdem kann der Druck zur Eindüsung des Vormischbrennstoffs in den mit relativ hoher Geschwindigkeit zuströmenden Verbrennungsluftstrom im Vergleich zu einer einseitigen Eindüsung von der Kante des Lufteintrittsschlitzes reduziert werden.

Vorzugsweise ist der Brenner derart ausgebildet, dass der Hohlraum aus mindestens zwei sich zu einem Körper ergänzenden Teilkegelkörpern gebildet wird, die einen Kegelhohlraum bilden, deren Längssymmetrieachsen zueinander radial versetzt sind und mindestens zwei tangentiale Lufteintrittsschlitze für die Zuführung eines Verbrennungsluftstroms einschließen. Alternativ kann der Brenner derart ausgebildet sein, dass der Hohlraum aus mindestens zwei sich zu einem Körper ergänzenden Teilzylinderkörpern gebildet wird, die einen Zylinderhohlraum bilden, deren Längssymmetrieachsen zueinander radial versetzt sind und mindestens zwei tangentiale Lufteintrittsschlitze für die Zuführung eines Verbrennungsluftstroms einschließen. Ebenso sind tulpen- oder becherförmige Ausbildungen des Hohlraums möglich.

Zusätzlich kann der Brenner eine stromabwärts des Hohlraums angeordnete Mischstrecke zur Überführung einer in dem Hohlraum erzeugten Strömung eines Brennstoffgemischs in eine Brennkammer aufweisen. Diese kann die Stabilität der flammenlosen Verbrennung erhöhen.

Insbesondere weisen die Brennstoffaustrittsöffnungen eine gemeinsame, längs des jeweiligen tangentialen Lufteintrittschlitzes angebrachte Brennstoffzuführung auf. Die Anzahl der Brennstoffzuführungen kann unter anderem abhängig sein von der Anzahl der Lufteintrittsschlitze, die beispielsweise wiederum abhängig davon ist, ob der Hohlraum aus zwei oder mehr Teilkörpem gebildet wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Brennstoffaustrittsöffnungen als ein längs über die gesamte Länge der Brennstoffzuführung verlaufendes Paar von Schlitzdüsen ausgebildet. Damit kann dem Verbrennungsluftstrom Vormischbrennstoff gleichmäßig über die gesamte Länge des tangentialen Lufteintrittsschlitzes verteilt zugeführt werden.

Andererseits können die Brennstoffaustrittsöffnungen kreisförmige oder ovale Querschnitte aufweisen. Durch unterschiedliche Öffnungsdurchmesser beziehungsweise Durchtrittsquerschnitte kann eine unterschiedliche Eindringtiefe des Vormischbrennstoffs in den Verbrennungsluftstrom erreicht werden, um damit unterschiedliche Mischungsverteilungen realisieren zu können. Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Vormischbrennstoffs über die gesamte Länge des tangentialen Lufteintrittsschlitzes zu erreichen, können sich die Brennstoffaustrittsöffnungen paarweise gleichmäßig über die gesamte Länge des tangentialen Lufteintrittsschlitzes verteilen. Die Anordnung, Verteilung und Ausbildung der Brennstoffaustrittsöffnungen beeinflusst die Brennstoffverteilung innerhalb des Brenners und damit seine Verbrennungsqualität.

Um eine gestufte Einbringung von Vormischbrennstoff in den Verbrennungsluftstrom und damit eine optimierte Anpassung des Brennerverhaltens beim Anfahren der beispielsweise angeschlossenen Gasturbine oder beim Betrieb in verschiedenen Lastbereichen zu ermöglichen, können die Brennstoffaustrittsöffnungen derart gruppiert angeordnet sein, dass eine erste Gruppe von Brennstoffaustrittsöffnungen sich gleichmäßig über die gesamte Länge des tangentialen Lufteintrittsschlitzes verteilt und eine erste gemeinsame Brennstoffzuführung aufweist und dass eine zweite Gruppe von Brennstoffaustrittsöffnungen sich längs eines Teilbereichs der gesamten Länge des tangentialen Lufteintrittschlitzes verteilt und mindestens eine zweite gemeinsame Brennstoffzuführung aufweist.

In einer anderen Ausführungsform für die gestufte Einbringung von Vormischbrennstoff sind die Brennstoffaustrittsöffnungen derart gruppiert angeordnet, dass eine erste Gruppe von Brennstoffaustrittsöffnungen sich gleichmäßig über einen ersten Teilbereich der gesamten Länge des tangentialen Lufteintrittsschlitzes verteilt und eine erste gemeinsame Brennstoffzuführung aufweist und dass mindestens eine zweite Gruppe sich längs eines weiteren Teilbereichs der gesamten Länge des tangentialen Lufteintrittschlitzes verteilt und mindestens eine zweite gemeinsame Brennstoffzuführung aufweist. So kann eine gestufte Zuführung von Vormischbrennstoff vorteilhaft beim Anfahren der Gasturbine sein, wenn die gesamte Vormischbrennstoffzuführung vorzugsweise über die erste, stromauf gelegene Gruppe von Brennstoffaustrittsöffnungen erfolgen soll. Die Vormischbrennstoffzuführung kann beim weiteren Hochfahren der Gasturbine bis hin zur Volllast stufenweise oder kontinuierlich auf die zweite, stromabwärts gelegene Gruppe von Brennstoffaustrittsöffnungen verlegt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Brenners überlappen sich die Teilbereiche nicht. Je nach Betriebsart des Brenners kann es aber auch erwünscht sein, dass sich mindestens zwei Teilbereiche überlappen.

Um den Vermischungsgrad von Verbrennungsluft und Vormischbrennstoff über die gesamte Länge des tangentialen Lufteintrittsschlitzes zu beeinflussen, können die Brennstoffaustrittsöffnungen von zwei oder mehr Gruppen unterschiedliche Querschnitte aufweisen. So kann die Gruppe von Brennstoffaustrittsöffnungen, die kleinere Vormischbrennstoffmengen eindüsen soll, kleinere Eindüsungsquerschnitte aufweisen und umgekehrt.

Um den Druckverlust bei der Einströmung der Verbrennungsluft zu reduzieren, können die Brennstoffzuführungen ein stromlinienförmiges Profil bezogen auf eine Querschnittsebene senkrecht zur Brennerachse aufweisen.

Um die Vormischbrennstoffzuführung der Betriebsart des Brenners beziehungsweise den Lastbedingungen beispielsweise einer Gasturbine anzupassen, können die Brennstoffzuführungen Mittel zur Regulierung des Massenstroms des Vormischbrennstoffs aufweisen.

Insbesondere bei einer Ausführungsform mit einer gestuften Vormischbrennstoffzuführung ist es vorteilhaft, dass die Brennstoffzuführungen zu den Gruppen von Brennstoffaustrittsöffnungen Mittel zur Regulierung des Massenstroms des Vormischbrennstoffs aufweisen, um sie unabhängig voneinander mit Brennstoff zu beaufschlagen beziehungsweise die Eindringtiefe des Vormischbrennstoffs in den Verbrennungsluftstrom und damit die Mischgüte zu beeinflussen. Unter Umständen ist es sogar möglich, auf die zusätzliche Zufuhr eines Pilotbrennstoffs für das Anfahren der Gasturbine oder im niedrigen Lastbetrieb im Bereich der zentralen Brennstoffeindüsung an der Brennerachse zu verzichten.

Vorzugsweise sind die Mittel zur Eindüsung von Vormischbrennstoff in die Lufteintrittsschlitze als einheitliches Bauteil ausgeführt. Damit kann bei Verwendung eines anderen Brennstoffs lediglich das Bauteil für die Vormischbrennstoffzuführung ausgetauscht werden, ein Austausch des gesamten Brenner ist dann nicht mehr erforderlich. Außerdem ist es möglich, andere Brenner mit einer solchen Vorrichtung nachzurüsten. Dazu kann das einheitliche Bauteil Mittel zur Befestigung an einem Brenner aufweisen. Eine derartige Konstruktion kann nicht nur die Flexibilität beim Einsatz der genannten Brenner erhöhen, sondern auch die Herstellung der gegossenen Teilkegelkörper vereinfachen, da die Integration der Brennstoffzuführungen und der Brennstoffaustrittsöffnungen in die gegossenen Teilkegelkörper wegfällt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Brenners sind die Mittel zur Eindüsung von Brennstoff in den Hohlraum, die im Bereich der Brennerachse angebracht sind, als Strahlrohr ausgeführt, das neben einer zentralen Austrittsdüse für flüssigen Brennstoff Brennstoffaustrittsöffnungen für die Zufuhr von Vormischbrennstoff in einem vom brennraumseitigen Ende entfernten Teilbereich des Strahlrohrs längs der Brennerachse mit einer zugehörigen Brennstoffzuführung aufweist. Insbesondere Anwendungen mit Strahlrohren, die länger in den Hohlraum ragen, haben sich hinsichtlich der Verbrennungsstabilität als vorteilhaft erwiesen, da sie beispielsweise eine unerwünschte Beeinflussung zwischen Pilotbrennstoff und Vormischbrennstoff verhindern können. Außerdem kann auf eine Vorrichtung zum Ausblasen des Brenners beispielsweise beim Abschalten verzichtet werden.

Alternativ können die Mittel zur Eindüsung von Brennstoff in den Hohlraum, die im Bereich der Brennerachse angebracht sind, als kegelförmiger Körper ausgeführt sein, dessen Kegelspitze stromabwärts ausgerichtet ist und eine Austrittsdüse für Brennstoff aufweist.

Zur zusätzlichen Stabilisierung und zur Reduzierung von Brummgeräuschen kann der Brenner zusammen mit einem sekundären Brenner als Hybridbrenner angeordnet sein.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners für eine vormischartige Verbrennung, umfassend einen Hohlraum, der mindestens einen tangentialen Lufteintrittsschlitz für die Zuführung eines Verbrennungsluftstroms aufweist, Mittel zur Eindüsung mindestens eines Brennstoffes über eine Lanze in den Hohlraum, und Mittel zur Eindüsung mindestens eines weiteren Brennstoffes, wobei diese letztgenannte Eindüsung in Wirkverbindung mit dem Lufteintrittsschlitz steht, wobei die Mittel zur Eindüsung des letztgenannten Brennstoffes in den Lufteintrittsschlitz mindestens eine Brennstoffzuführung aufweisen, deren Brennstoffaustrittsöffnungen derart wirken, dass der Brennstoff beidseitig der Brennstoffzuführung senkrecht oder quasi-senkrecht zur Brennerachse in den Verbrennungsluftstrom eingebracht wird, wobei
die Brennstoffzuführung bezogen auf die Richtung des Verbrennungsluftstromes vor dem Lufteintrittsschlitz betrieben wird.

Die Eindringtiefe und die Einmischung des Vormischbrennstoffstrahls kann die Mischgüte des Vormischbrennstoffs und der Verbrennungsluft und damit die Brennstoffverteilung an der Brennermündung beeinflussen. Diese wiederum können entscheidend für die Verbrennungsstabilität und die Höhe der Schadstoffemissionen, insbesondere der Stickstoffemissionen sein. Um aerodynamische Verluste und den erforderlichen Druck für die Eindüsung des Vormischbrennstoffs zu verringern, wird der Vormischbrennstoff vor den Lufteintrittsschlitzen bezogen auf die Richtung des Verbrennungsluftstromes und damit in einem Bereich niedrigerer Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms als direkt in den Lufteintrittsschlitzen eingebracht.

Insbesondere können mit einem solchen Verfahren gasförmige Brennstoffe beidseitig der Brennstoffzuführungen bezogen auf eine Querschnittsebene senkrecht zur Brennerachse in den Verbrennungsluftstrom eingebracht werden.

Um eine möglichst stabile Verbrennung im Bereich der Brennermündung zu erreichen, kann der Vormischbrennstoff gleichmäßig über die gesamte Länge des tangentialen Lufteintrittsschlitzes eingebracht werden. Eine gute Vermischung der Brennstoffe ist bei derartigen Vormischbrennem die Voraussetzung für niedrige Stickoxidemissionswerte beim Verbrennungsvorgang.

Um andererseits den unterschiedlichen Anforderungen an den Brenner beispielsweise beim Anfahren einer Gasturbine oder beim Betrieb bei Volllast gerecht zu werden, kann der Vormischbrennstoff getrennt über mindestens zwei Teilbereiche der gesamten Länge des tangentialen Lufteintrittsschlitzes eingebracht werden. Über eine Steuerung der Vormischbrennstoffzuführung eines ersten Teilbereichs im Verhältnis zu mindestens einem zweiten Teilbereich kann der Brenner auch bei geänderter Last oder Brennstoffqualität stabil mit niedrigen Stickstoffemissionswerten betrieben werden.

Weiterhin kann die Zuführung des Vormischbrennstoffs zu den einzelnen Brennstoffaustrittsöffnungen regelbar durchgeführt werden. Insbesondere bei einer gestuften Einbringung des Vormischbrennstoffs kann es vorteilhaft sein, die Zuführung des Vormischbrennstoffs zu den Brennstoffaustrittsöffnungen der Teilbereiche lastabhängig und unabhängig voneinander durchzuführen. Außerdem kann der Vormischbrennstoff auch abhängig von gemessenen Druckschwankungen, Schadstoffemissionswerten oder Materialtemperaturen des Brenners eingebracht werden, um so eine stabile Verbrennung zu gewährleisten.

Um eine radial vom Strahlrohr nach außen gerichtete Eindüsung von Vormischbrennstoff in den Hohlraum zu ermöglichen, können die Mittel zur Eindüsung von Brennstoff in den Hohlraum, die im Bereich der Brennerachse angebracht sind und als Strahlrohr ausgeführt sind, neben der Einbringung eines flüssigen Brennstoffs durch eine zentrale Austrittsdüse Vormischbrennstoff über einen vom brennraumseitigen Ende entfernten Teilbereich des Strahlrohrs längs der Brennerachse einbringen. So kann die Einbringung des Vormischbrennstoffs in den Hohlraum noch besser abgestuft werden und eine bessere Anpassung der Verbrennung an unterschiedliche Betriebsbedingungen erreicht werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

einen Längsquerschnitt eines kegelförmigen Brenners gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2

einen Querschnitt entlang der Linie A-A des in Fig. 1 dargestellten Brenners,

Fig. 3

einen Längsquerschnitt eines kegelförmigen Brenners mit den zentral im Zuströmungsbereich des Verbrennungsluftstroms angebrachten Mitteln zur Eindüsung von Vormischbrennstoff in die Lufteintrittsschlitze,

Fig. 4

einen Querschnitt entlang der Linie B-B des in Fig. 3 dargestellten Brenners,

Fig. 5

einen Längsquerschnitt eines kegelförmigen Brenners mit zwei Gruppen von Brennstoffaustrittsöffnungen, die sich längs zweier Teilbereiche der gesamten Länge des tangentialen Lufteintrittschlitzes verteilen,

Fig. 6

zwei Querschnitte entlang den Linien C-C und D-D des in Fig. 5 dargestellten Brenners, und

Fig. 7

einen Längsquerschnitt eines zylinderförmigen Brenners mit den zentral im Zuströmungsbereich des Verbrennungsluftstroms angebrachten Mitteln zur Eindüsung von Vormischbrennstoff in die Lufteintrittsschlitze.

Fig. 1 zeigt einen Längsquerschnitt eines kegelförmigen Brenners 1 gemäß dem Stand der Technik, wie er beispielsweise in der EP 0 321 809 A1 beschrieben ist. Im Zusammenhang damit zeigt Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A des in Fig. 1 dargestellten Brenners. Im folgenden wird auf Bezugszeichen sowohl der Fig. 1 als auch der Fig. 2 Bezug genommen.

Der Kegelhohlraum 8 des Brenners 1 wird durch zwei zueinander radial verschobene Teilkegelkörper 7 gebildet. Durch die Verschiebung der Längssymmetrieachsen 9 der Teilkegelkörper 7 werden tangentiale Lufteintrittsschlitze 11 gebildet, durch welche die mit Vormischbrennstoff 3 vermischte Verbrennungsluft 12 in den Kegelhohlraum 8 einströmt. Die Brennerachse 10 liegt mittig und auf einer Linie zwischen den Längssymmetrieachsen 9 der Teilkegelkörper 7. Im Bereich dieser Brennerachse 10 ist ein Strahlrohr 2 angebracht, um flüssigen Brennstoff 4 in den Brennerraum 8 einzudüsen. Zusätzlich wird beispielsweise zum Zünden oder Stabilisieren der Verbrennung Pilotbrennstoff 6 in den Kegelhohlraum eingebracht. Zwischen dem Pilotbrennstoff 6 und dem flüssigen Brennstoff 4 wird Luft zur Abschirmung 5 eingebracht, um eine vorzeitige Vermischung von flüssigem Brennstoff 4 und Pilotbrennstoff 6 und damit eine vorzeitige Zündung der Brennstoffe zu vermeiden.

Der durch das Strahlrohr 2 eingedüste flüssige Brennstoff 4 bildet eine kegelförmige Brennstoffsäule, die von der mit Vormischbrennstoff 3 vermischten rotierenden Verbrennungsluft 12 umgeben ist. Die Stärke der Rotation ist abhängig von der Auslegung des Kegelwinkels und der Anzahl und der Breite der Lufteintrittsschlitze 11. Bei einer geeigneten Auswahl dieser Parameter findet die Zündung des Brennstoffgemischs am Ausgang des Brenners 1 statt, wobei sich im Bereich der Brennermündung 13 eine Flammenstabilisierung durch die Bildung einer Rückströmzone einstellt.

Die Brennstoffaustrittsöffnungen 15 zur Einbringung des Vormischbrennstoffs 3 sind an den Kanten der Lufteintrittsschlitze 11 angebracht. Um eine ausreichende Vermischung des Vormischbrennstoffs 3 mit der Verbrennungsluft 12 über die gesamte Breite des Lufteintrittsschlitzes 11 zu erreichen, ist ein hoher Druck zur Eindüsung des Vormischbrennstoffs 3 in den mit hoher Geschwindigkeit zuströmenden Verbrennungsluftstrom 12 erforderlich. Die Eindüsung geschieht von einer Seite des Lufteintrittsschlitzes 11. Damit wird keine über die gesamte Breite des Lufteintrittsschlitzes homogene Vermischung des Vormischbrennstoffs mit der Verbrennungsluft und daher keine optimalen Stickstoffausstoßwerte erzielt.

Die Brennstoffzuführungen 14, die in den Teilkegelkörpern 7 integriert sind, sind hohen thermischen Belastungen durch den Kontakt mit einerseits kaltem Brennstoff und andererseits heißer Verbrennungsluft ausgesetzt, was zu einer kürzeren Lebensdauer dieser Bauteile führen kann. Da die Brennstoffzuführungen 14 und die Brennstoffaustrittsöffnungen 15 ein integraler Bestandteil der gegossenen Teilkegelkörper 7 sind, ist es notwendig, bei Verwendung eines anderen Brennstoffes den gesamten Brenner 1 auszutauschen. Außerdem ist die Integration der Brennstoffzuführungen 14 und der Brennstoffaustrittsöffnungen 15 in die gegossenen Teilkegelkörper 7 technisch aufwändig und teuer.

Fig. 3 zeigt einen Längsquerschnitt eines kegelförmigen Brenners 1 mit den zentral im Zuströmungsbereich des Verbrennungsluftstroms 12 angebrachten Mitteln zur Eindüsung von Vormischbrennstoff 3 in die Lufteintrittsschlitze 11. Fig. 4 zeigt einen entsprechenden Querschnitt entlang der Linie B-B des in Fig. 3 dargestellten Brenners. Im folgenden wird auf Bezugszeichen sowohl der Fig. 3 als auch der Fig. 4 Bezug genommen.

Im Unterschied zu dem in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Brenner weist der in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellte Brenner 1 Brennstoffzuführungen 14 auf, die nicht Bestandteile des Teilkegelkörpers 7 sind. Sie sind als eigenständiges Bauteil ausgeführt, das zentral im Zuströmungsbereich des Verbrennungsluftstroms 12 angeordnet ist. Weiterhin befinden sich beidseitig der Brennstoffzuführung 14 bezogen auf eine Querschnittsebene senkrecht zur Brennerachse 10 Brennstoffaustrittsöffnungen 15, die den Vormischbrennstoff 3 in den Verbrennungsluftstrom 12 einbringen. Die Brennstoffaustrittsöffnungen 15 weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf. In anderen Ausführungsformen können die Brennstoffaustrittsöffnungen ovale oder schlitzförmige Querschnitte aufweisen. Durch eine geeignete Auswahl der Anordnung, Größe und Anzahl der Brennstoffaustrittsöffnungen 15 können die Schadstoffemissionswerte, das Flammenrückstromverhalten und die Flammenstabilität beeinflusst werden.

Die Brennstoffaustrittsöffnungen 15 eines tangentialen Lufteintrittsschlitzes 11 werden über eine gemeinsame Brennstoffzuführung 14 mit Vormischbrennstoff 3 versorgt. Die Brennstoffzuführung 14 kann mit Mitteln ausgestattet sein, die den Massenstrom des Brennstoffs regeln, um ihn den momentanen Betriebsbedingungen des Brenners anzupassen. Die Brennstoffzuführung 14 ist räumlich vor den Lufteintrittsschlitzen 11, also in einem Bereich einer niedrigeren Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstroms 12 als direkt in den Lufteintrittsschlitzen angeordnet. Damit werden aerodynamische Verluste und der erforderliche Druck für die Eindüsung des Vormischbrennstoffs 3 verringert. Außerdem weisen die Brennstoffzuführungen 14 ein stromlinienförmiges Profil bezogen auf eine Querschnittsebene senkrecht zur Brennerachse 10 auf, um den Druckverlust bei der Einströmung der Verbrennungsluft 12 zu reduzieren.

Da der Vormischbrennstoff 3 zentral und beidseitig der Brennstoffzuführung 14 in den Verbrennungsluftstrom 12 eingebracht wird, ergibt sich eine relativ homogene Vermischung von Vormischbrennstoff 3 und Verbrennungsluft 12, die zu einer Verbrennung im Brenner 1 mit geringen Stickstoffemissionen führt.

Durch die Ausführung der Vormischbrennstoffzuführung als eigenständiges Bauteil muss bei Verwendung eines anderen Brennstoffs nicht der gesamte Brenner 1 ausgetauscht werden, sondern lediglich das Bauteil für die Vormischbrennstoffzuführung. Es ist außerdem möglich, andere Brenner mit einer solchen Vorrichtung nachzurüsten. Weiterhin ist die technische Herstellung der gegossenen Teilkegelkörper weniger aufwändig, da die Integration der Brennstoffzuführungen 14 und der Brennstoffaustrittsöffnungen 15 in die gegossenen Teilkegelkörper 7 wegfällt. Die thermische Belastung des Brenners beziehungsweise der Teilkegelkörper, die bei dem im Stand der Technik erwähnten Brenner aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen von einerseits kaltem Brennstoff und heißer Verbrennungsluft auftritt, verringert sich, da der unmittelbare Kontakt zu der den kalten Brennstoff zuführenden Brennstoffzuführung wegfällt.

Fig. 5 zeigt einen Längsquerschnitt eines kegelförmigen Brenners 1 mit zwei Gruppen von Brennstoffaustrittsöffnungen 15.1, 15.2, die sich längs zweier Teilbereiche 16, 17 der gesamten Länge des tangentialen Lufteintrittschlitzes 11 verteilen. Im Zusammenhang damit stellt Fig. 6 zwei Querschnitte entlang den Linien C-C und D-D des in Fig. 5 dargestellten Brenners 1 dar. Im folgenden wird auf Bezugszeichen sowohl der Fig. 5 als auch der Fig. 6 Bezug genommen.

Die hier dargestellte Brennstoffzuführung des tangentialen Lufteintrittsschlitzes 11 teilt sich in zwei getrennte Brennstoffzuführungen 14.1 und 14.2 auf. Im ersten Teilbereich 16 der gesamten Länge des tangentialen Lufteintrittsschlitzes 11 wird durch die Brennstoffaustrittsöffnungen 15.2 Vormischbrennstoff 3 in den Verbrennungsluftstrom 12 eingebracht, der über die Brennstoffzuführung 14.2 zugeführt wird. Analog dazu wird im zweiten Teilbereich 17 der gesamten Länge des Lufteintrittsschlitzes 11 über die Brennstoffaustrittsöffnungen 15.1 Vormischbrennstoff 3 in den Verbrennungsluftstrom 12 eingebracht, der über die Brennstoffzuführung 14.1 zugeführt wird.

Eine derartige gestufte Einbringung von Vormischbrennstoff 3 in den Verbrennungsluftstrom 12 ermöglicht eine optimierte Anpassung des Brennerverhaltens beim Anfahren der beispielsweise angeschlossenen Gasturbine oder beim Betrieb in verschiedenen Lastbereichen. So ist eine Zuführung von Vormischbrennstoff 3 in getrennten Teilbereichen längs der Brennerachse 10 vorteilhaft beim Anfahren der Gasturbine, wenn die gesamte Vormischbrennstoffzuführung vorzugsweise im stromauf gelegenen Teilbereich 16 erfolgen soll. Die Vormischbrennstoffzuführung kann beim weiteren Hochfahren der Gasturbine bis hin zur Volllast stufenweise oder kontinuierlich auf den stromabwärts gelegenen Teilbereich 17 verlegt werden. Besonders vorteilhaft erweisen sich dabei hier nicht dargestellte Mittel zur Regulierung des Massenstroms des Vormischbrennstoffs, um die Brennstoffzuführungen 14.1, 14.2 unabhängig voneinander mit Vormischbrennstoff 3 zu beaufschlagen und den Massenstrom des Vormischbrennstoffs 3 innerhalb einer Brennstoffzuführung 14.1, 14.2 zu regulieren.

Insbesondere wird mit einer gestuften Einbringung des Vormischbrennstoffs Verbrennungsoszillationen entgegengewirkt, die bei den Umschaltprozessen einer Gasturbine auftreten und die wiederum zu Druckschwankungen führen, die sich störend auf den Betrieb der Gasturbine auswirken. Unter Umständen ist es sogar möglich, auf die Zufuhr eines Pilotbrennstoffs für das Anfahren der Gasturbine oder im niedrigen Lastbetrieb wie in der Beschreibung der Figuren 1 und 2 erwähnt zu verzichten. Weiterhin ist es denkbar, Trockenöl beim Betrieb eines Brenners gemäß dieser Erfindung einzusetzen.

Fig. 7 zeigt einen Längsquerschnitt eines zylinderförmigen UTC-Brenners 1 (wie Brenner des Unternehmens United Technologies Corporation genannt werden; beispielsweise einer dieser UTC-Brenner ist in der WO 93/17279 gezeigt; die WO 93/17279 wird hiermit als in die Beschreibung vollumfänglich aufgenommen betrachtet) mit einer Brennermündung 13 und den zentral im Zuströmungsbereich des Verbrennungsluftstroms angebrachten Mitteln zur Eindüsung von Vormischbrennstoff 3 in die Lufteintrittsschlitze 11. Die Mittel zur Eindüsung von Brennstoff 18 in den Hohlraum des Brenners 1 sind als kegelförmiger Körper ausgeführt sind, dessen Kegelspitze stromabwärts ausgerichtet ist und mehrere ringförmig auf der Kegelspitze angeordnete Austrittsdüsen 19 für den Pilotbrennstoff 6 aufweist.

Auch hier weist der dargestellte Brenner 1 Brennstoffzuführungen 14 auf, die nicht Bestandteile der Teilzylinderkörper sind. Sie sind als eigenständige Bauteile ausgeführt, die zentral im Zuströmungsbereich des Verbrennungsluftstroms, also in den Lufteintrittsschlitzen 11 angeordnet sind. Die Brennstoffzuführungen 14 weisen Brennstoffaustrittsöffnungen 15 auf, die den Vormischbrennstoff 3 in den Verbrennungsluftstrom einbringen. Die Brennstoffaustrittsöffnungen 15 weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf. Alternativ können die Brennstoffaustrittsöffnungen auch ovale oder schlitzförmige Querschnitte aufweisen.

Die Funktionsweise der dargestellten Mittel zur Eindüsung von Vormischbrennstoff in diesem UTC-Brenner ist analog zu der Funktionsweise dieser Mittel in dem in den Figuren 3 bis 6 dargestellten Brenner mit kegelförmig ausgebildetem Hohlraum. Ebenso sind alle in der Beschreibung zu den Figuren 3 bis 6 genannten Ausbildungen der Mittel zur Eindüsung von Vormischbrennstoff auf den UTC-Brenner 1 anwendbar. Es gilt ebenso, dass die verschiedenen Ausbildungen der Mittel zur Eindüsung von Vormischbrennstoff auf Brenner anwendbar sind, die einen tulpen- oder becherförmigen Hohlraum aufweisen. Auch hier ist die Funktionsweise der Mittel zur Eindüsung von Vormischbrennstoff analog zu der Funktionsweise dieser Mittel in dem in Figuren 3 bis 6 dargestellten Brenner mit kegelförmig ausgebildetem Hohlraum.

1

Brenner

2

Strahlrohr

3

Vormischbrennstoff

4

flüssiger Brennstoff

5

Luft zur Abschirmung

6

Pilotbrennstoff

7

Teilkegelkörper

8

Kegelhohlraum

9

Längssymmetrieachse des Teilkegelkörpers

10

Brennerachse

11

Lufteintrittsschlitz

12

Verbrennungsluftstrom

13

Brennermündung

14

Brennstoffzuführung

14.1

erste gemeinsame Brennstoffzuführung

14.2

zweite gemeinsame Brennstoffzuführung

15

Brennstoffaustrittsöffnung

15.1

Brennstoffaustrittsöffnung im ersten Teilbereich

15.2

Brennstoffaustrittsöffnung im zweiten Teilbereich

16

erster Teilbereich der gesamten Länge des tangentialen Lufteintrittsschlitzes

17

zweiter Teilbereich der gesamten Länge des tangentialen Lufteintrittsschlitzes

18

kegelförmige Mittel zur Eindüsung von Brennstoff in den Hohlraum

19

Austrittsdüse für Pilotbrennstoff