Verbrennungssystem insbesondere für eine Gasturbine

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbrennungssystem, insbesondere ein Verbrennungssystem für eine Gasturbine mit einer Brennkammer und wenigstens einem Düsenrohr, welches mit einer Düsenaustrittsöffnung in die Brennkammer mündet.

[0002] In jüngster Zeit werden so genannte Strahlflammen (jet flames) als Alternative zu Drallflammen (swirl flames) in Verbrennungssystemen für Gasturbinenanlagen diskutiert. In Strahlflammen wird ein Brennstofffluid oder ein Gemisch aus Brennstofffluid und Luft mittels eines Düsenrohres als Strahl in die Brennkammer eingebracht. Strahlflammen ermöglichen Stickoxidemissionen (NO_x-Emissionen), die so niedrig sind wie bei vorgemischten Drallflammen, während sie gleichzeitig die Verteilung der Wärmefreisetzung über einen im Vergleich zu den vorgemischten Drallflammen größeren Bereich in der Brennkammer ermöglichen. Infolge der Wärmefreisetzung über einen größeren Bereich eröffnen Strahlflammen ein Potential zum Vermindern thermoakustisch induzierter Schwingungen. Weiterhin ermöglichen Strahlflammen das Verbrennen sehr unterschiedlicher Brennstofffluide, was eine hohe Flexibilität des Verbrennungssystems sicherstellt. Eine hohe Flexibilität ist eines der Hauptziele moderner Verbrennungssysteme.

[0003] Die Stabilisierung einer Strahlflamme bleibt jedoch weiterhin eine nicht vollständig gelöste Aufgabe. Bisher werden Strahlflammen hautsächlich durch die Mitführung von heißen Reaktionsgasen aus einer äußeren Rezirkulationszone der Brennkammer stabilisiert. Die Mitführung der heißen Reaktionsgase wurde bisher verbessert, indem die Strahlgeschwindigkeit erhöht und die Geometrie der Verbrennungsanordnung geeignet eingestellt worden sind. Das Einstellen der Geometrie erfolgt in der Regel durch Herstellen eines speziellen Verhältnisses zwischen dem Durchmesser der Brennkammer und dem Durchmesser der in die Brennkammer mündenden Düsenöffnung des Düsenrohres. Eine technische Lösung, die zur Flammenstabilisierung und Geräuschreduzierung führt, ist aus der DE 93102547 U bekannt. Die Flammenstabilität kann jedoch insbesondere im Hinblick auf unterschiedliche Betriebspunkte von Gasturbinenanlagen oder bei Verwendung von Brennstoffen mit hohem Wasserstoffgehalt, welche zu einer hohen Verbrennungsgeschwindigkeit führen, trotz allem noch unbefriedigend sein.

[0004] Demgegenüber ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Brenner für Strahlflammen zur Verfügung zu stellen.

[0005] Diese Aufgabe wird durch einen Brenner nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

[0006] Ein erfindungsgemäßer Brenner, der insbesondere als Brenner für eine Gasturbine ausgestaltet sein kann, umfasst wenigstens ein Düsenrohr sowie eine mit dem Düsenrohr in Verbindung stehende Brennstofffluidzufuhrleitung zum Zuführen eines Brennstofffluids in das Düsenrohr und ggf. zusätzlich eine mit dem Düsenrohr in Verbindung stehende Luftzufuhrleitung zum Zuführen von Verbrennungsluft in das Düsenrohr. Das Düsenrohr weist eine Düsenaustrittsöffnung auf und ist zum Eindüsen eines Strahls aus Brennstofffluid oder aus einem Gemisch aus Luft und Brennstofffluid in eine Brennkammer ausgestaltet. Das Düsenrohr weist im Bereich der Düsenaustrittsöffnung zur Öffnungsmitte hin vorstehende Elemente auf. Die zur Öffnungsmitte hin vorstehenden Elemente führen im ausgetretenen Strahl so zu einer Erhöhung der turbulenten Fluktuationen im Bereich der Grenzfläche zwischen dem Strahl und den rezirkulierten Verbrennungsabgasen, was wiederum das Mitreißen der Verbrennungsabgase verstärkt. Als Konsequenz hiervon wird die Stabilität der Flamme erhöht. Die vorstehenden Elemente durch einen bis zur Düsenaustrittsöffnung reichenden Düsenrohrabschnitt mit gewellter Innenumfangsfläche gebildet. Dies führt zu einer Vergrößerung der Oberfläche des aus der Düsenöffnung austretenden Strahls. Da die Zahl der turbulenten Fluktuationen von der Größe der Grenzfläche zwischen dem Strahl und den heißen Reaktionsgasen, d.h. den Verbrennungsgasen, in der Rezirkulationszone abhängt, ist in dieser Realisierung die Verstärkung der Wirbelbildung im Wesentlichen auf die vergrößerte Strahloberfläche zurückzuführen.

[0007] Die gewellte Innenumfangsfläche an der Düsenaustrittsöffnung ist derart ausgestaltet, dass sie eine maximale Auslenkung A um einen mittleren Öffnungsradius R der Düsenaustrittsöffnung aufweist und das Verhältnis der Auslenkung zum mittleren Öffnungsradius durch die Beziehung


gegeben ist.

[0008] Die gewellte Innenumfangsfläche kann insbesondere die Form einer sich über den Umfang der Düsenaustrittsöffnung erstreckenden Sinuswelle aufweisen. Aber auch andere im weitesten Sinne gewellte Formen, wie etwa Sägezahnformen, sind möglich.

[0009] In einer Weiterbildung des Brenners mit der gewellten Innenumfangsfläche weist das Düsenrohr einen von der Düsenöffnung entfernten Düsenrohrabschnitt und einen Übergangsabschnitt auf. Der Übergangsabschnitt stellt einen Übergang von dem Düsenrohrabschnitt mit rundem Öffnungsquerschnitt zu dem Düsenrohrabschnitt mit der gewellten Innenumfangsfläche dar. Die maximale Amplitude der gewellten Innenumfangsfläche wird unmittelbar an der Düsenaustrittsöffnung erreicht. Das Verhältnis der Länge L_T des Übergangsbereiches zur maximalen Amplitude A ist durch die Formel


gegeben. Im durch die Formel gegebenen Verhältnis der Länge des Übergangsbereiches zur maximalen Amplitude lassen sich besonders vorteilhafte Resultate für die Flammenstabilität erzielen.

[0010] Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verbrennungssystem mit einer Brennkammer und einem erfindungsgemäßen Brenner zur Verfügung gestellt. Der Brenner umfasst wenigstens ein Düsenrohr sowie eine mit dem Düsenrohr in Verbindung stehende Brennstofffluidzufuhrleitung zum Zuführen eines Brennstofffluids in das Düsenrohr und ggf. zusätzlich eine mit dem Düsenrohr in Verbindung stehende Luftzufuhrleitung zum Zuführen von Verbrennungsluft in das Düsenrohr. Das Düsenrohr weist eine in die Brennkammer mündende Düsenaustrittsöffnung auf und ist zum Eindüsen eines Strahls aus Brennstofffluid oder einem Gemisch aus Luft und Brennstofffluid in die Brennkammer ausgestaltet. In dem erfindungsgemäßen Verbrennungssystem steht das Düsenrohr in die Brennkammer vor. Insbesondere kann das Düsenrohr einen Öffnungsdurchmesser D aufweisen und über eine Länge L in die Brennkammer vorstehen, wobei das Verhältnis der Länge L zum Öffnungsdurchmesser D durch die Beziehung


gegeben ist. Das Vorstehen des Düsenrohres in die Brennkammer erhöht den Effekt, den das Mitreißen von heißen Verbrennungsabgasen der Rezirkulationszone auf den Strahl ausübt, weil die Düsenaustrittsöffnung nähr an die Rezirkulationszone herangeführt oder gar in diese hineingeführt ist.

[0011] Das in die Brennkammer vorstehende Düsenrohr kann insbesondere im Bereich der Düsenaustrittsöffnung mit zur Öffnungsmitte hin vorstehenden Elementen, wie sie mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Brenner beschrieben worden sind, ausgestattet sein. Mit anderen Worten, der Brenner ist ein erfindungsgemäßer Brenner.

[0012] Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

Fig. 1

zeigt ein erfindungsgemäßes Verbrennungssystem mit einem Brenner und einer Brennkammer in einer sche- matisierten, geschnittenen Seitenansicht.

Fig. 2

zeigt eine Draufsicht auf die Düsenaustrittsöffnung des Brenners aus Fig. 1.

Fig. 3

zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für ein er- findungsgemäßes Verbrennungssystem mit einem Bren- ner und einer Brennkammer in einer schematisierten, geschnittenen Seitenansicht.

[0013] Ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verbrennungssystem ist in einer stark schematisierten Darstellung in Fig. 1 gezeigt. Die Figur stellt einen Schnitt durch die Längsachse des Verbrennungssystems dar und zeigt einen Brenner 1 und eine Brennkammer 3.

[0014] Der Brenner ist zum Erzeugen einer Strahlflamme (jet flame) 5 ausgebildet. Er umfasst ein Düsenrohr 7, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer Brennstoffzufuhrleitung 9 und einer Luftzufuhrleitung 11 in Verbindung steht. Das über die Brennstoffzufuhrleitung 9 zugeführte Brennstofffluid, beispielsweise Gas (etwa Erdgas) oder Öl (etwa Heizöl), wird in einem Mischer 13 gemischt und dem Düsenrohr 7 zugeführt. Über eine Düsenaustrittsöffnung 15 wird das vorgemischte Luft/Brennstoffgemisch in die Brennkammer 3 eingedüst, um die Strahlflamme 5 zu bilden. Üblicherweise steht der Durchmesser der Düsenaustrittsöffnung mit der Abmessung der Brennkammeröffnung W im Verhältnis 1 < W/D < 4.

[0015] Im äußeren Bereich der Brennkammer 3 bildet sich bei vorliegender Strahlflamme 5 eine Rezirkulationszone 6 aus, in welcher heiße Verbrennungsabgase im radial äußeren Bereich der Brennkammer 3 in Richtung auf den Brenner 7 zurückströmen und im stromauf gelegenen Bereich der Brennkammer 3 in ihrer Bewegungsrichtung in Richtung auf den radial inneren Bereich der Brennkammer abgelenkt werden. Zwischen dem rezirkulierten Abgas 17 und der Umfangsfläche des Luft/Brennstoffgemisches in der Strahlflamme 5 treten Scherkräfte auf, welche das rezirkulierte Abgas 17 in Strömungsrichtung F des Luft/Brennstoffgemisches mitreißen. Aufgrund dieses Mitreißeffektes wird die Strahlflamme 5 in der Brennkammer 3 stabilisiert. Für den Mitreißeffekt sind in erster Linie turbulente Fluktuationen in der Umfangsfläche der Strahlflamme 5 verantwortlich.

[0016] Das Düsenrohr 7 des Brenners 1 weist im Bereich der Düsenaustrittsöffnung 15 eine gewellte Rohrwand 19 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Wellung dadurch realisiert, dass die Rohrwand 19 die Form einer um einen mittleren Rohrradius R mit einer Amplitude A oszillierenden stehenden Sinuswelle aufweist. Die Wellung kann jedoch auch Einarbeiten einer in Umfangsrichtung des Düsenrohres sinusförmigen Kontur in seine Innenwandung realisiert sein. Die Wellung braucht aber nicht zwingend Sinusform aufzuweisen. Andere Formen, wie etwa Sägezahnformen, sind möglich.

[0017] Die Amplitude A der Wellung weist an der Düsenaustrittsöffnung 15 ihren maximalen Wert auf. Sie verringert sich zu stromaufwärts gelegenen Rohrabschnitten hin, bis schließlich ein Rohrabschnitt 21 erreicht ist, in dem das Rohr einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Der Übergangsbereich, in dem die Amplitude von ihrem Maximalwert A auf Null abnimmt, besitzt in Axialrichtung des Düsenrohres 7 eine Länge L_T. Das Verhältnis der Länge L_T des Übergangsbereiches zur maximalen Amplitude A ist durch die Beziehung


gegeben.

[0018] Aufgrund der Wellung des Düsenrohres 7 im Bereich Düsenaustrittsöffnung 15 ist die Oberfläche des aus der Düsenaustrittsöffnung 15 austretenden Strahls aus Luft/Brennstoffgemisch im Vergleich zu einem aus einer Düsenaustrittsöffnung mit rundem Querschnitt und dem Radius R austretenden Strahl aus Luft/Brennstoffgemisch vergrößert. Die Vergrößerung der Oberfläche des Strahls führt zu mehr turbulenten Fluktuationen und somit zu einer Verstärkung des beschriebenen Mitreißeffektes. Besonders vorteilhaft lässt sich der Mitreißeffekt verstärken, wenn das Verhältnis der Auslenkung A der Wellung zum mittleren Radius R der Düsenaustrittsöffnung durch die Beziehung


gegeben ist. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass Fig. 2 lediglich beispielhaft und schematisch für die Form der Wellung steht. Insbesondere kann die Zahl der Wellenberge und Wellentäler auch kleiner oder größer sein, als dies in Fig. 2 dargestellt ist.

[0019] Ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verbrennungssystem ist in Fig. 3 dargestellt. Die Figur stellt das Verbrennungssystem in einem Schnitt entlang seiner Längsachse dar und zeigt einen Brenner 201 und eine Brennkammer 203.

[0020] Der Brenner umfasst ein Düsenrohr 207, eine Brennstoffzufuhrleitung 209 und eine Luftzufuhrleitung 211 sowie einen Mischer 213, der dem Düsenrohr 207 vorgeschaltet ist und in den die Brennstoffzufuhrleitung 209 und die Luftzufuhrleitung 211 münden. Im Unterschied zum Brenner im ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verbrennungssystems weist das Düsenrohr 207 weder eine Wellung noch Deltaflügel im Bereich seiner Düsenaustrittsöffnung 215 auf. Es sei an dieser Stelle aber erwähnt, dass der Brenner auch im zweiten Ausführungsbeispiel des Verbrennungssystems mit einer Wellung oder mit Deltaflügeln im Bereich seiner Düsenaustrittsöffnung 215 ausgestattet sein kann.

[0021] Im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Verbrennungssystem ragt das Düsenrohr 207 in dem in Fig. 5 dargestellten Verbrennungssystem um die Strecke L in die Brennkammer 203 hinein. Die Strecke L, um die das Düsenrohr 207 in die Brennkammer 203 hineinragt, steht mit dem Öffnungsdurchmesser D des Düsenaustrittsöffnung vorzugsweise in einer Beziehung, die durch


gegeben ist. Aufgrund des Hineinragens in die Brennkammer 203 kann die Düsenaustrittsöffnung 215 näher an die Rezirkulationszone in der Brennkammer herangeführt werden, sodass bereits kurz nach dem Austritt des Strahls 205 aus der Düsenaustrittsöffnung 215 der Mitreißeffekt eintritt. Der Mitreißeffekt kann daher die Strahlflamme 205 weitestgehend über ihre gesamte Länge stabilisieren.

[0022] Mit Hilfe der Erfindung wird der Mitreißeffekt für die heißen Gase in der äußeren Rezirkulationszone erhöht. Zudem gewährleisten die erhöhten turbulenten Fluktuationen einen gleichmäßige Verbrennung mit niedrigen akustischen Amplituden, sodass das Auftreten von Verbrennungsschwingungen unterdrückt wird. Eine Optimierung der Stabilität der Strahlflamme kann durch Kombinieren der in den Figuren 1 und 2 dargstellten Brenner mit dem in Fig. 3 dargestellten Verbrennungssystem herbeigeführt werden.

Ansprüche

1. Brenner (1, 101), insbesondere für eine Gasturbine, mit wenigstens einem Düsenrohr (7, 107) sowie einer mit dem Düsenrohr (7, 107) in Verbindung stehenden Brennstofffluidzufuhrleitung (9) zum Zuführen eines Brennstofffluides in das Düsenrohr (7, 107), wobei das Düsenrohr (7, 107) eine Düsenaustrittsöffnung (15, 115) aufweist und zum Eindüsen eines Strahls (5) aus Brennstofffluid oder aus einem Gemisch aus Luft und Brennstofffluid in eine Brennkammer (3) ausgestaltet ist, wobei das Düsenrohr (7, 107) im Bereich der Düsenaustrittsöffnung (15, 115) zur Öffnungsmitte hin vorstehende Elemente (19, 119) aufweist, wobei die vorstehende Elemente durch einen bis zur Düsenaustrittsöffnung (15) reichenden Düsenrohrabschnitt mit gewellter Innenumfangsfläche (19) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die gewellte Innenumfangsfläche (19) an der Düsenaustrittsöffnung (15) eine maximale Auslenkung A um einen mittleren Öffnungsradis R der Düsenaustrittsöffnung (15) aufweist und das Verhältnis der Auslenkung zum mittleren Öffnungsradius durch die Beziehung


gegeben ist.

2. Brenner (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gewellte Innenumfangsfläche (19) die Form einer Sinuswelle aufweist.

3. Brenner (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gewellte Innenumfangsfläche (19) Sägezahnform aufweist.

4. Brenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenrohr (7) einen von der Düsenöffnung (15) entfernten Düsenrohrabschnitt (21) mit einem runden Öffnungsquerschnitt und einen Übergangsabschnitt von dem Düsenrohrabschnitt (21) mit dem runden Öffnungsquerschnitt zum Düsenrohrabschnitt mit der gewellten Innenumfangsfläche (19) aufweist, wobei die maximale Amplitude A der gewellten Innenumfangsfläche (19) an der Düsenaustrittsöffnung (15) erreicht wird und das Verhältnis der Länge L_T des Übergangsbereiches zur maximalen Amplitude A durch die Beziehung


gegeben ist.

5. Verbrennungssystem, insbesondere für eine Gasturbine, mit einer Brennkammer (203) und mit einem Brenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das Düsenrohr (207) in die Brennkammer vorsteht.

6. Verbrennungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenrohr (207) einen Öffnungsdurchmesser D aufweist und über eine Länge L in die Brennkammer (203) vorsteht, wobei das Verhältnis des Öffnungsdurchmessers D zur Länge L durch die Beziehung


gegeben ist.

Claims

1. Burner (1, 101), in particular for a gas turbine, with at least one nozzle tube (7, 107) and with a fuel fluid lead supply line (9), connected to the nozzle tube (7, 107), for supplying a fuel fluid into the nozzle tube (7, 107), the nozzle tube (7, 107) having a nozzle outlet orifice (15, 115) and being configured for injecting a jet (5) of fuel fluid or of a mixture of air and fuel fluid into a combustion chamber (3), the nozzle tube (7, 107) having elements (19, 119) projecting, in the region of the nozzle outlet orifice (15, 115), towards the orifice centre, the projecting elements being formed by a nozzle-tube portion reaching as far as the nozzle outlet orifice (15) and having a wavy inner circumferential surface (19), characterized in that the wavy inner circumferential surface (19) of the nozzle outlet orifice (15) has a maximum deflection A about a mean orifice radius R of the nozzle outlet orifice (15), and the ratio of the deflection to the mean orifice radius is given by the relation

2. Burner (1) according to Claim 1, characterized in that the wavy inner circumferential surface (19) is in the form of a sine wave.

3. Burner (1) according to Claim 1, characterized in that the wavy inner circumferential surface (19) has a sawtooth form.

4. Burner (1) according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the nozzle tube (7) has a nozzle-tube portion (21), distant from the nozzle orifice (15), with a round orifice cross section, and a transitional portion from the nozzle-tube portion (21) with the round orifice cross section to the nozzle-tube portion with the wavy inner circumferential surface (19), the maximum amplitude A of the wavy inner circumferential surface (19) being reached at the nozzle outlet orifice (15), and the ratio of the length L_T of the transitional region to the maximum amplitude A being given by the relation

5. Combustion system, in particular for a gas turbine, with a combustion chamber (203) and with a burner according to one of the preceding claims, characterized in that the nozzle tube (207) projects into the combustion chamber.

6. Combustion system according to Claim 5, characterized in that the nozzle tube (207) has an orifice diameter D and projects into the combustion chamber (203) over a length L, the ratio of the orifice diameter D to the length L being given by the relation

Revendications

1. Brûleur ( 1, 101 ), notamment pour une turbine à gaz, comprenant au moins un tube ( 7, 107 ) formant buse ainsi qu'un conduit ( 9 ) d'apport de fluide combustible communiquant avec le tube ( 7, 107 ) formant buse pour l'apport d'un fluide combustible au tube ( 7, 107 ) formant buse, le tube ( 7, 107 ) formant buse ayant une ouverture ( 15, 115 ) de sortie de buse et étant conformé pour l'injection d'un jet ( 5 ) de fluide combustible ou d'un mélange d'air et de fluide combustible dans une chambre de combustion ( 3 ), dans lequel le tube ( 7, 107 ) formant buse a dans la zone de l'ouverture ( 15, 115 ) de sortie de la buse des éléments ( 19, 119 ) en saillie vers le milieu de l'ouverture, les éléments en saillie étant formés par un tronçon du tube formant buse qui va jusqu'à l'ouverture ( 15 ) de sortie de la buse et qui a une surface périphérique intérieure ondulée, caractérisé en ce que la surface ( 19 ) périphérique intérieure ondulée a à l'ouverture ( 15 ) de sortie de la buse une excursion A maximum autour d'un rayon R du moyen d'ouverture de l'ouverture ( 15 ) de sortie de la buse et le rapport de l'excursion au rayon moyen d'ouverture est donné par la relation

2. Brûleur ( 1 ) suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface ( 19 ) périphérique intérieure ondulée a la forme d'une onde sinusoïdale.

3. Brûleur ( 1 ) suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface ( 19 ) périphérique intérieure ondulée a une forme en dents de scie.

4. Brûleur ( 1 ) suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tube ( 7 ) formant buse a un tronçon ( 21 ) éloigné de l'ouverture ( 15 ) formant buse ayant une section transversale d'ouverture circulaire et un tronçon de transition allant du tronçon ( 21 ) de tube formant buse ayant la section transversale d'ouverture circulaire à la section du tube formant buse ayant la surface ( 19 ) périphérique intérieure ondulée, l'amplitude A maximum de la surface ( 19 ) périphérique intérieure ondulée étant atteinte à l'ouverture ( 15 ) de sortie de la buse et le rapport de la longueur L_T de la partie de transition à l'amplitude A maximum étant donné par la relation

5. Système de combustion, notamment pour une turbine à gaz, comprenant une chambre de combustion ( 203 ) et un brûleur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube ( 207 ) formant buse fait saillie dans la chambre de combustion.

6. Système de combustion suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le tube ( 207 ) formant buse a un diamètre D d'ouverture et fait saillie dans la chambre de combustion ( 203 ) sur une longueur L, le rapport du diamètre D de l'ouverture à la longueur L étant donné par la relation

Zeichnung