Die Erfindung betrifft einen Brenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Um möglichst geringe Stickoxidemissionen bei steigenden Verbrennungstemperaturen zu erzielen, sind moderne Gasturbinenverbrennungssysteme durch ein kompaktes Design gekennzeichnet. Damit die geforderten thermischen Leistungen erreicht werden, sind in der Regel eine größere Anzahl an Brennern, in denen der Brennstoff zugemischt und der Brennstoff mit der Luft vorgemischt wird, parallel geschaltet. Durch Verringerung der Verweilzeit in kompakten Anordnungen können die Stickoxidemissionen weiter verringert werden. Eine weitere Verringerung der Verweilzeit über den gegenwärtigen Stand der Technik, der bei stationären Gasturbinenverbrennungssystemen ca. 15 ms beträgt, kann durch Einführung sogenannter Mikroflammen oder Brennermodulen erzielt werden. Aufgrund der dadurch bedingten hohen Leistungsdichten neigen diese Verbrennungssysteme jedoch zu thermoakustisch induzierten Verbrennungsschwingungen, die den Betriebsbereich der Gasturbine einschränken. Eine Vermeidung dieses Nachteils wäre daher wünschenswert.

Die DE 20 23 060 zeigt einen Brenner für gasförmige Brennstoffe mit einer durchlöcherten porösen Austrittsplatte, die an einer Seite an eine Verbrennungszone und an der anderen an eine Grundplatte angrenzt. Die Grundplatte ist mit der Austrittsplatte so verbunden, dass die Perforationen in der Austrittsplatte den Perforationen in der Grundplatte deckungsgleich gegenüberliegen. So kann Luft durch sie strömen. Die Austrittspunkte haben von der Grundplatte einen solchen Abstand zwischen den Löchern, dass Brennstoffdurchgänge gebildet werden. Der Brenner ist insgesamt so ausgebildet, dass während des Gebrauchs des Brenners gasförmiger Brennstoff durch die Brennstoffdurchgänge und von dort durch die poröse Austrittsplatte in die Verbrennungszone strömt, wo er mit der durch die Perforationen angesaugten Luft verbrennt.

Die EP 1 001 216 A1 zeigt eine Scheibe, mit durch die Scheibe hindurchführende Öffnungen. Quer zu den Öffnungen sind Kanäle angeordnet, durch welche Brennstoff geführt wird. Über diese Kanäle kann Brennstoff den Öffnungen zugeführt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines Brenners, welcher den obigen Nachteil vermeidet.

Die Aufgabe wird durch die Angabe eines Brenners mit einer Brennkammerwand, umfassend mehrere Brennermodule nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Verwendung derartiger vieler Brennermodule in verschaltbaren Gruppen ermöglicht eine hohe Flexibilität, sowohl hinsichtlich der Auslegung des Verbrennungssystems, als auch beim Betrieb einer Gasturbine. Weiterhin kann durch die gewählte Anordnung die Wärme in der gesamten Brennkammer verteilt freigesetzt werden, womit eine Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen möglich ist. Die Brennstoffversorgung der unterschiedlichen Gruppen von Brennermodulen kann zudem lastabhängig zugeschaltet werden. Der Brennstoffeindüsung kann zudem eine Brennstoffmenge zugewiesen werden, die im Regelbereich variiert. So kann eine verbesserte Kontrolle der Eindüsemenge und somit verbesserte NOx-Werte erhalten werden. Die Brennermodule einer Gruppe können unterschiedlich ausgelegt sein. Somit kann die Brennstoffmenge an unterschiedlichen Teilen der Brennkammer zusätzlich zu der Verschaltung in Gruppen gesteuert werden und bietet somit zusätzliche Betriebsflexibilität.

Der Brenner weist eine axiale Richtung und eine radiale Richtung auf. Die Gruppen sind in axialer Richtung und/oder radialer Richtung an der Brennkammerwand des Brenners angeordnet. Die Anordnung der Gruppen ist bestimmend für die Brennergeometrie oder falls eine bestimmte Brennergeometrie vorgegeben ist, kann das Design der Gruppen an diese angepasst werden. Die Gruppen können dabei radial angeordnet und axial gestaffelt sein. Die jeweils nächste äußere Gruppe von Brennermodulen liegt in axialer Richtung gesehen stromabwärts der nächsten inneren Gruppe von Brennermodulen. Die axiale Staffelung erlaubt eine gleichmäßige Verteilung der Verbrennungszonen innerhalb der Brennkammer. Die Gruppe mit gleicher axialer Staffelung wird zu einer Stufe zusammengefasst, die eine gemeinsame Brennstoffregelung besitzt. Abhängig von der Last werden die axialen Stufen zugeschaltet, wobei die innerste (bezogen auf die Brennerachse) zuerst und die äußerste zuletzt zugeschaltet wird. Eine Anzahl von drei axialen Stufen wird als ideal angesehen. Somit kann die Brennstoffmenge besonders gut lastabhängig eingebracht werden, was sich wiederum günstig auf die NOx-Entstehung auswirkt.

Bevorzugt ist der Durchgangskanal im Wesentlichen im Querschnitt rund. Bevorzugt sind mehrere Durchgangskanäle vorhanden, welche zumindest einen Abstand zueinander aufweisen. Es ist aus Flammenstabilitätsgründen günstig, den Faktor Abstand zu Querschnittsfläche bei den von der Turbine weiter entfernten Gruppen von Brennermodulen, größer zu wählen und den Faktor Abstand zu Querschnittsfläche bei den näher zur Turbine befindlichen Gruppen von Brennermodulen, enger zu wählen. Somit kann ein Verlöschen der Flamme und Hot Spots vermieden werden.

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 Brennermodul.

Fig. 2

zeigt ein Brennermodul mit zwei Durchgangskanälen und einer Brennstoffeindüsung.

Fig. 3

zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel von Gruppen von Brennermodulen in einem Rohrbrenner mit Brennkammer.

Fig. 4

zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von Gruppen von Brennermodulen in einem Rohrbrenner mit Brennkammer.

Fig. 5

zeigt ein Ausführungsbeispiel von Gruppen von Brennermodulen in einem Ringbrenner mit Brennkammer.

Um möglichst geringe Stickoxidemissionen bei steigenden Verbrennungstemperaturen zu erzielen, sind moderne Gasturbinenverbrennungssysteme durch ein kompaktes Design gekennzeichnet. Damit die geforderten thermischen Leistungen erreicht werden, wird in der Regel eine größere Anzahl an Brennern, in denen der Brennstoff zugemischt und der Brennstoff mit der Luft vorgemischt wird, parallel geschaltet. Durch Verringerung der Verweilzeit in kompakten Anordnungen können die Stickoxidemissionen weiter verringert werden. Eine weitere Verringerung der Verweilzeit über den gegenwärtigen Stand der Technik, der bei stationären Gasturbinenverbrennungssystemen ca. 15 ms beträgt, kann durch Einführung sogenannter Brennermodule (Mikroflammenbrenner) erzielt werden. Aufgrund der dadurch bedingten hohen Leistungsdichten neigen diese Verbrennungssysteme jedoch zu thermoakustisch induzierten Verbrennungsschwingungen, die den Betriebsbereich der Gasturbine stark einschränken. Dies wird mit Hilfe der Erfindung nun vermieden.

Fig. 1 zeigt ein Brennermodul 1. Das Brennermodul 1 weist dabei eine Platte 90 mit einer Oberseite 92 und einer Unterseite 91 auf. Zudem weist das Brennermodul 1 ein Durchgangskanal 100 zur Führung von Luft 102 auf. Dabei kann die Luft 102 auch ein Luft-Brennstoffgemisch sein. Der Durchgangskanal 100 erstreckt sich von der Unterseite 91 zur Oberseite 92 durch die Platte 90 hindurch. Die durch den Durchgangskanal 100 hindurchströmende Luft 102 bildet eine Luftströmungsrichtung L aus, wobei in Luftströmungsrichtung L nachgeschaltet eine Brennkammer 52 (Fig. 3) vorgesehen ist. Zudem umfasst das Brennermodul 1 eine Brennstoffeindüsung zur Einbringung von Brennstoff. Die Brennstoffeindüsung umfasst dabei zumindest einen Verteilerkanal 5 und einen Kanal 101, der Brennstoff vom Verteilerkanal 5 zu dem Durchgangskanal 100 transportiert. Der Brennstoff kann dabei mittels nicht näher beschriebener Kanäle zu dem Verteilerkanal 5 transportiert werden.

Fig. 2 zeigt zwei Durchgangkanäle 100 die von einem gemeinsamen Verteilerkanal 5 über zwei Kanäle 101 mit Brennstoff versorgt werden. Als eine Gruppe 7 von Brennermodulen 1 wird eine Anzahl von mindestens einem, üblicherweise aber mehreren Brennermodulen 7 bezeichnet. Umschließt eine Gruppe 7 mehrere Durchgangskanäle 100, wie in Fig. 2 gezeigt, so kann eine Brennstoffeindüsung auch mehrere solcher Kanäle 101 umfassen, die mehrere Durchgangskanäle 100 mit Brennstoff versorgen. Der Brennstoff kann dabei - wie in Fig. 2 und 1 gezeigt - über senkrecht zu dem Durchgangskanal 100 angeordnete Kanäle 101 direkt senkrecht zur Luftströmungsrichtung L und damit zur Luft 102 eingebracht werden. Zudem kann - je nach Brennerbauart - auch eine Einbringung unter einem Winkel erfolgen. Eine Gruppe 7 kann aus einer unterschiedlichen Anzahl von Brennermodulen 1 bestehen, das heißt unterschiedlich viele Durchgangskanäle 100 und unterschiedlich viele Verteilerkanäle 5 und unterschiedlich viele Kanäle 101 aufweisen.

Luft 102 wird durch den Durchgangskanal 100 hindurchgeströmt. Der Durchgangskanal 100 kann dabei als zylindrische Durchgangsbohrung mit einem Durchmesser D und einer Querschnittsfläche realisiert sein. Der Durchmesser D beträgt hierbei bevorzugt 1-12 mm. Die Turbulenz der Luftströmung 102 kann durch Turbulenzgeneratoren erhöht werden. Dies können beispielsweise Deltawings, oder Mischelemente etc. sein (nicht gezeigt). Darüber hinaus kann durch eine Einlaufströmungsvorrichtung, die beispielsweise in Luftströmungsrichtung L gesehen vor dem Brennermodul 1 angeordnet wird (nicht gezeigt), die Luft 102 verdrallt werden. Dies ergibt eine bessere Durchmischung von Luft 102 mit Brennstoff und somit eine bessere Verbrennung ohne Hot Spots. Durch die Kanäle 101 der Brennstoffeindüsung wird Brennstoff in dem Durchgangskanal 100, und damit in die Luft 102 eingedüst und vermischt sich mit diesem zu einem Luft-Brennstoffstrom 103. Die Kanäle 101 können dabei in einem Abstand KL von der Austrittsfläche des Luft-Brennstoffstroms 103 angeordnet sein. Dabei wird das Verhältnis von Abstand KL zu D, bevorzugt mit 0.1-8 angegeben. Bei einem Brennermodul 1 mit mehreren Durchgangskanälen 100 können diese einen Abstand S voneinander aufweisen, gerechnet vom jeweiligen Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Durchgangskanals 100 an. Dabei ist bevorzugt das Verhältnis von S zu D mit 1.5 bis 10 anzugeben. Somit werden Flammenstabilität gewährleistet und Hot Spots vermieden.

Darüber hinaus ist es aus Flammenstabilitätsgründen günstig, das Verhältnis von S zu D bei den von der Turbine 8 (Fig. 3) weiter entfernten Gruppen 7 von Brennermodulen 1 größer zu wählen und das Verhältnis von S zu D bei den näher zur Turbine 8 befindlichen Gruppen 7 von Brennermodulen 1 enger zu wählen.

Wie Fig. 3 zeigt, umfasst der Brenner mit einer Brennkammerwand 110 mehrere Gruppen 7, welche aus Brennermodulen 1 bestehen. Erfindungsgemäß sind mindestens zwei der Gruppen 7 verschaltbar in Bezug auf die Brennstoffmenge.

Die Brennermodule 1 innerhalb einer Gruppe 7 (Fig. 3) oder in verschiedenen Gruppen 7 können unterschiedlich ausgelegt sein, z.B. unterschiedlich in der Größe. Die Gruppen 7 können direkt an der Brennkammerwand 110 des Brenners angebracht sein oder diese zumindest teilweise ersetzen.

Die Gruppen 7 können mit vorgemischten bzw. teilvorgemischten oder gar nicht vorgemischten Brennermodulen 1 betrieben werden. In einem Brenner können auch unterschiedliche solcher Gruppen 7 (vorgemischt, teilvorgemischt, nicht vorgemischt) vorkommen.

Der in Fig. 3 gezeigte Brenner weist dabei eine axiale Richtung A und eine radiale Richtung R auf. Die Gruppen 7 können sowohl in axialer Richtung A als auch in radialer Richtung R an der Brennkammerwand 110 angeordnet werden. Die Anordnung der Gruppen 7 ist bestimmend für die Brennergeometrie. Falls jedoch eine bestimmte Brennergeometrie vorgegeben ist, kann das Design der Gruppen 7 an diese angepasst werden. Die Brennstoffversorgung zu einzelnen Gruppen 7 kann lastabhängig zugeschaltet werden und die Brennstoffmenge kann innerhalb des Regelbereiches variiert werden.

In Fig. 3 wird die Anordnung von Gruppen 7 von Brennermodulen in einem Rohrbrenner mit entsprechender Brennkammer 52 gezeigt. Die Brennkammer 52 weist dabei eine vordere Stirnseite 105 auf. Der Durchmesser DS dieser Stirnseite 105 beträgt 0.05 bis 1 vom maximalen radialen Durchmesser DSmax der Brennkammer. An der Stirnseite 105 ist ein Pilotbrenner 115 vorgesehen, mit dem die Gasturbine gestartet werden kann. Der Pilotbrenner 115 kann dabei auch durch einen Piloten aus Brennermodulen 1 ersetzt werden oder die Pilotfunktion wird von der am weitesten stromabwärts liegenden Gruppe 7 von Brennermodulen 1 wahrgenommen; stromabwärts bedeutet hier in axialer Richtung A nach dem Pilotbrenner 115. Der Pilotbrenner 115 wird vor allem beim Starten der Maschine eingesetzt, um die Verbrennung gezielt in Gang zu setzen und ein Verlöschen von Flammen zu verhindern. Die Brennkammer 52 des Ausführungsbeispiels 3 ist dabei teilweise kegelförmig. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 werden die Gruppen 7 der Brennermodule auf der Kegelfläche 120 der Brennkammer 52 angeordnet. Der Öffnungswinkel α der Kegelfläche 120 beträgt dabei bevorzugt 10 Grad. Dadurch ergibt sich ein guter Einströmwinkel des Luft-Brennstoffgemisches 103 in die den Gruppen 7 nachgeschaltete Brennkammer 52. Die Anzahl dieser Gruppe 7 von Brennermodulen 1 auf der Kegelfläche 120 ist beliebig. Die Gruppen 7 von Brennermodulen 1 können eine unterschiedliche Größe besitzen und können aus verschiedenen Brennstoffstufen gespeist werden. Dies ermöglicht einen sehr flexiblen Betrieb der Maschine.

Fig. 4 zeigt eine Brennkammer 52 in der die Gruppen 7 so ausgerichtet ist, dass die Ausströmrichtung des Luft-Brennstoffgemisches 103 parallel zur axialen Richtung A des Brenners erfolgt. Die Gruppen 7 sind in radialer Richtung R von einer Brennerrotationsachse M angeordnet und in axialer Richtung A gestaffelt. Die Gruppen 7 eignen sich daher aufgrund der kleinen Verbrennungszeit auch als axiale Zusatzstufe, die stromabwärts der Hauptbrennerstufe (stromabwärts bedeutet hier in axialer Richtung A nach dem Pilotbrenner 115) angebracht ist. Die jeweils nächste äußere Gruppe 7 von Brennermodulen liegt stromabwärts gesehen in axialer Richtung A radial weiter nach außen als die nächste innere Gruppe 7 von Brennermodulen 1. Die Gruppen 7 von Brennermodulen 1 mit gleicher axialer Staffelung werden zu einer Stufe zusammengefasst. Die axiale Stufung erlaubt eine Verteilung der Verbrennungszonen innerhalb der Brennkammer 52. Die Stufe besitzt eine gemeinsame Brennstoffregelung. Abhängig von der Last werden die axialen Stufen zugeschaltet, wobei die innerste (Abstand der Gruppe 7 zu der Brennerrotationsachse M ist am geringsten) zuerst und die äußerste zuletzt zugeschaltet wird. Eine Anzahl von drei axialen Stufen wird als optimal angesehen. Wie in Fig. 3 kann auch ein Pilotbrenner 115 vorgesehen sein. Der Pilotbrenner 115 kann dabei auch durch einen Gruppe 7 von geeigneten Brennermodulen 1 ersetzt werden oder die Pilotfunktion wird von der am weitesten in axialer Richtung des Brenners liegenden Gruppe 7 von Brennermodulen 1 wahrgenommen.

Figur 5 zeigt - sehr schematisch - ein Ausführungsbeispiel von Gruppen 7 von Brennermodulen 1 in einem Ringbrenner mit einer entsprechenden Brennkammer 52, wobei in der Brennkammer 52 eine zweite Verbrennungszone 160 in axialer Richtung A stromabwärts einer primären Verbrennungszone 140 mit Hilfe von Gruppen 7 von Brennermodulen 1 ausgebildet werden kann. Die Gruppen 7 von Brennermodulen 1 können an unterschiedlichen Positionen an der Brennkammerwand 110, sowohl an der Brennkammeraußenwand als auch einer Brennernabenaußenwand (nicht gezeigt) angebracht werden oder die Brennkammerwand 110 ersetzten. Weiterhin ist ebenfalls eine Stufung der Gruppen 7 möglich. Dabei werden die Gruppen 7 von Brennermodulen 1 dann konzentrisch um den Pilotbrenner 115 angeordnet, wobei die Bereiche zwischen Gruppen 7 von Brennermodulen 1 mit weiteren Gruppen 7 von Brennermodulen 1 versehen werden können oder als Brennkammerwand 110 ausgeführt werden (nicht gezeigt).

Die Verwendung vieler Gruppen 7 von Brennermodulen 1 ermöglicht eine hohe Flexibilität sowohl hinsichtlich der Auslegung des Verbrennungssystems als auch beim Betrieb einer Gasturbine. Weiterhin kann durch die gewählte Anordnung die Wärme in der gesamten Brennkammer verteilt freigesetzt werden, womit eine Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen ermöglicht wird.