[0001] Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einer Brennstofflanze gemäss Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] Bei herkömmlichen Brennkammern, die mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben werden,
findet die Regulierung der Brennstoffmenge - von der Flammenfront in der Brennkammer
ausgesehen - weiter stromaufwärts statt, d.h., zwischen Mengenregulierung und Entzündungsebene
des gasförmigen Brennstoffes oder eines Brennstoff/Luft-Gemisches entsteht stets eine
mehr oder weniger lange Gassäule, die Ursache ist, dass es in der Brennkammer zu selbsterregten
Schwingungen kommen kann. Die Modulation des in die Brennkammer eingedusten gasförmigen
Brennstoffes oder eines Brennstoff/Luft-Gemisches, wie beispielsweise aus DE-A-22
27 281 entnommen werden kann, beruht auf Druckschwankungen in der Düsenebene. Der
für die Selbsterregung notwendige Rückkopplungskreis ist dann geschlossen, wenn die
von den Zufuhrschwankungen bewirkten Aenderungen des Brennstoffumsatzes in der Flammenebene
mit dem Brennkammerdruck eine Phasenbedingung erfüllen. Ein klassisches Beispiel hierfür
ist die sogenannte "singende Flamme".
[0003] Solche Schwingungen lassen sich im wesentlichen auf zwei Arten bekämpfen:
1. Durch Aenderung der akustischen Eigenschaften, d.h. der Inpedanzen der Brennstoffzuleitung
oder der Brennkammer. Diese Massnahmen wirken allerdings nur in einem bestimmten Frequenzband,
da die Impedanzen von der Frequenz abhängen.
2. Durch akustische Abkopplung des Brennstoffzufuhrsystems mit einer unendlich grossen
Eintrittsimpedanz. Man erreicht dies über eine starke Drosselung der Brennstoffzufuhr
in der Nähe des Brennkammereintritts, z.B. durch sonische Düsen. Dies setzt voraus,
dass der Brennstoff mit einem hinreichend hohen Druck geliefert wird, was auch in
den meisten Fällen zutrifft oder bewerkstelligt werden kann. Diese Massnahme wirkt
unabhänig von der Frequenz; jedoch kann man hierbei die Brennstoffmenge nicht über
einen weiten Bereich variieren. Ein herkömmliches Regulierventil, das der Drosselung
und der Mengeneinstellung dient, lässt sich bei einem Brenner üblicher Bauart nur
ausserhalb des gesamten Brennersystems anbringen. In diesem Fall verbleibt aber zwischen
Regulierventil und Brennkammereintritt immer noch ein Zuleitungssystem, das unter
Umständen an einer Schwingung teilnehmen kann.
[0004] In DE-C-330 857 besteht der Brenner aus einer feststehenden Gasleitung, die in ein
durch Drehung verschiebbares Mischrohr integriert ist. Durch diese manuelle Drehung
des Mischrohres wird gleichzeitig und zwangsläufig der Gasaustrittsquerschnitt in
der Gasleitung und der Lufteintrittsquerschnitt in das Mischrohr geregelt. Darüber
hinaus wird auch der Austrittsquerschnitt für das aus Gas und Luft gebildete Gemisch
geregelt. Die Regelung des Gasaustrittsquerschnittes geschieht, indem eine verschiebbare,
die Gasleitung ummantelnde Muffe den erwünschten Gasdurchtrittsquerschnitt freigibt.
[0005] Zwar geht aus dieser Druckschrift hervor, dass der Gasdurchtrittsquerschnitt aus
einer Anzahl axial und über den Umfang der Gasleitung verteilte Gasdurchtrittsbohrungen
besteht. Indessen wird hier keine starke Drosselung der Brennstoffzufuhr in der Nähe
des Brennkammereintritts angestrebt, noch kann man hier von sonischen Düsen bei der
Brennstoffzufuhr sprechen, die erst eine akustische Abkopplung des Brennstoffzufuhrsystems
ermöglichen. Hier besteht also die Gefahr, dass von der Brennkammer aus, selbst wenn
diese unmittelbar dem Brenner nachgeschaltet wäre, eine akustische Rückkopplung über
die nicht sonischen Düsen auf die Brenngasleitung stattfinden kann. Darüber hinaus
lässt sich mit dem hier vorgeschlagenen Gasaustrittsquerschnitt keine Regulierung
der Brennstoffmenge über einen weiten Bereich erzielen, wodurch der Einsatz des in
DE-C-330 857 beschriebenen Brenners allenfalls nur bei Brennkammer mit einer schmalen
Leistungsbreite zum Einsatz kommen könnte.
[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner mit einer Brennstofflanze zu schaffen,
der die oben beschriebene Abkopplung der Brennerstoffleitung zur Vermeidung von Brennkammerschwingungen
ermöglicht, mit der weiteren Möglichkeit, die Brennstoffmengenregulierung über einen
weiten Bereich gewährleisten zu können.
[0007] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe, bei einem Brenner der eingangs genannten Art,
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
[0008] Der Vorteil der Erfindung ist im wesentlichen darin zu sehen, dass auf relativ einfache
Weise ein Brenner geschaffen ist, der sowohl eine Abkopplung der Brennstoffleitung
zur Vermeidung von Brennkammerschwingungen als auch die Möglichkeit der Brennstoffmengenregulierung
über einen weiten Bereich in kompakter Weise in sich vereinigt.
[0009] Die Entkopplung wird insofern wirksam, als durch diese kompakte Bauweise der Abstand
zwischen Drosselkörper und Düsenaustritt wesentlich kürzer als die Wellenlänge typscher
Eingeschwingungen des Brennakmmersystems gehalten werden kann.
[0010] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Brennstofflanze wahlweise
mit zentralem oder radialem Düsenaustritt ausgestaltet werden kann.
[0011] Bei der Zufuhr von vorgemischtem Brennstoff liegt ein zusätzlicher Vorteil darin,
dass der Drosselkörper gleichzeitig als Flammen-Rückschlagsicherung wirkt.
[0012] Im folgenden sind anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
vereinfacht dargestellt und näher erläutert. Alle für das Verständnis der Erfindung
unwesentlichen Elemente sind nicht dargestellt.
[0013] Es zeigen:
Fig. 1 eine Brennstofflanze mit Zufuhr des Brennstoffes durch ein Innenrohr und zentralem
Düsenaustritt;
Fig. 2 eine Brennstofflanze mit Zufuhr des Brennstoffes durch ein Innenrohr und radialem
Düsenaustritt;
Fig. 3 eine Brennstofflanze mit Zufuhr des Brennstoffes durch das Lanzenrohr und zentralem
Düsenaustritt;
Fig. 4 eine Brennstofflanze mit Zufuhr des Brennstoffes druch das Lanzenrohr und radialem
Düsenaustritt.
[0014] Fig. 1 zeigt stark vereinfacht die Konzeption einer Brennstofflanze 1, die Bestandteil
eines nicht dargestellten Brenners ist, der seinerseits Bestandteil einer ebenfalls
nicht dargestellten Brennkammer, z.B. einer Gasturbine ist. Beim Brenner kann es sich
beispielsweise um einen Diffusionsbrenner mit verdrallter Luftzufuhr handeln. Die
Brennstofflanze 1 besteht aus einem Lanzenrohr 2 mit einem zentralen Düsenaustritt
3. Stromaufwärts des Lanzenrohres 2 wird die Brennstofflanze 1 durch eine Büchse 4
gebildet, in der ein axial verstellbarer rohrförmiger Drosselkörper 5 geführt ist.
Durch das Rohrinnere 6 findet die Zufuhr des Brennstoff 7 statt. Stromabwärtsseitig
ist die Rohrwand 8 im ungeführten Teil des Drosselkörpers 5 in Umfangsrichtung und
in axialer Richtung mit Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 versehen. Sowohl deren Anzahl
als auch Anordnung ist beliebig; was die Form anbelangt, so können zum Beispiel Bohrungen
oder Schlitze vorgesehen werden. Was die Zahl und Grösse der Brennstoffdurchtrittsöffnungen
9 anbelangt, so richten sich diese nach dem maximal erforderlichen Durchsatz des jeweiligen
Brenners. Das Lanzenrohr 2 trägt im Rohrinnern einen Stempel 10, der mittels Stegen
11 - wie sie üblicherweise zur Abstützung von Innen körpern bei durchströmten Querschnitten
zum Einsatz gelangen - zentrisch zum Rohrinnern 6 des Drosselkörpers 5 gelagert ist.
Eine ebenfalls dorthin plazierte Dichtung 12 sorgt dafür, dass die bei der jeweiligen
axialen Position des Drosselkörpers 5 über dem Stempel 10 liegenden Brennstoffdurchtrittsöffnungen
9 gasdicht geschlossen sind. Die Gasdichtigkeit zwischen Drosselkörper 5 und Büchse
4 wird durch eine Dichtung 13 bewerkstelligt. Durch axiales Verschieben des Drosselkörpers
5 gegen den Stempel 10 kann der freie Querschnitt - d.h. die Anzahl der noch im Einsatz
stehenden Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 - und damit die durchströmende Brennstoffmenge
7a verändert werden. Der freigegebene Strömungsquerschnitt hängt somit von der jeweiligen
Eindringtiefe des Stempels 10 gegenüber dem Drosselkörper 5 ab. Wenn das Verhältnis
des Brennstoffdruckes in der Zuleitung zum Druck am Düsenaustritt 3 einen kritischen
Wert überschreitet, durchströmt der Brennstoff 7 die Brennstoffdurchtrittsöffnungen
9 im Drosselkörper 5 mit Schallgeschwindigkeit, so dass vom Düsenaustritt 3 stromauf
laufende Druckstörungen den aus den Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 austretenden
Brennstoffmenge 7a nicht mehr beeinflussen können. Konstruktiv ist es wichtig zu beachten,
dass der Abstand zwischen Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 und Düsenaustritt 3 bzw.
15 wesentlich kürzer ist als die Wellenlänge typischer Eigenschwingungen des Brennkammersystems.
[0015] In Fig. 2 ist, ähnlich wie in Fig. 1, ebenfalls eine stark vereinfachte Darstellung
einer Brennstofflanze 1 dargestellt. Diese Ausführung ist gegenüber Fig. 1 durch den
Unterschied gekennzeichnet, dass die durchströmende Brennstoffmenge 7a aus der Brennstofflanze
1 nunmehr radial austritt. Das Lanzenrohr 2 ist gleichbleibend zylindrisch und düsenaustrittsseitig
offen. Der Stempel 10 wird über die Stege 11 verlängert und trägt an dessen Ende einen
Zentralkörper 14. Die Oeffnung zwischen Ende des Lanzenrohres 2 und innenseitiger
Auslaufkurve des Zentralkörpers 14 bildet den radialen Düsenaustritt 15.
[0016] In Fig. 3 wird der Brennstoff 7 direkt durch die Brennstofflanze 1 zugeführt. Stromabwärts
verläuft das Lanzenrohr 2 in eine bis zum zentralen Düsenaustritt 3 hin sich erstreckende
Büchse 16 über. Der Drosselkörper 5 ist eine Spindel, die lediglich endseitig und
nur auf einer bestimmten Länge rohrförmig ausgenommen ist. In dieser Partie sind auch
die Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 angebracht. Der Innendurchmesser der Büchse 16
bildet zugleich die Oeffnung zum zentralen Düsenaustritt 3. Durch axiales Verschieben
des Drosselkörpers 5 gegen die Büchse 16 kann der freie Querschnitt - d.h. die Anzahl
der noch im Einsatz stehenden Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 - und damit die durchströmende
Brennstoffmenge 7a verändert werden. Der Brennstoff 7 umströmt im Bereich des Lanzenrohres
2 den Drosselkörper 5. Dort wo das Lanzenrohr 2 in die Büchse 16 übergeht, durchströmt
der Brennstoff jene Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9, die auf Grund der Brennstoffmengenregulierung
noch im Einsatz stehen, d.h. von der Büchse 16 noch nicht umhüllt sind. Im Gegensatz
zu Fig. 1 und 2 strömt hier der Brennstoff 7 von aussen ins Innere des Drosselkörpers
5, um von hier aus zum Düsenaustritt 3 zu gelangen.
[0017] Fig. 4 zeigt ein beidseitig offenes Lanzenrohr 2, das in der Mitte durch eine Verengung
17 geteilt ist. Die Verengung erfüllt die gleiche Funktion wie die Büchse 16, beschrieben
unter Fig. 3. Der Zentralkörper 14 ermöglicht einen radialen Düsenaustritt 15.
1. Brenner mit einer Brennstifflanze für die Zufuhr eines gasförmigen Brennstoffes
oder eines Brennstoff-Luftgemisches in die Brennkammer einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet,
dass diq Brennstofflanze (1) einen inneren, gegenüber einem festen Körper (10, 16, 17) axial
verstellbaren Drosselkörper (5) trägt, wobei dieser abströmungsseitig mit einer Anzahl
zum Düsenaustritt (3, 15) gerichteten Brennstoffdurchtrittsöffnungen (9) versehen
ist, und wobei die bei mehr als überkritischen Druckverhältnissen mit Schallgeschwindigkeit
durch die Brennstoffdurchtrittsöffnungen (9) druchströmende Brennstoffmenge (7a) von
der Eindringtiefe des Drosselkörpers (5) gegenüber dem festen Körper (10,16,17) im
Bereich der Brennstoffdurchtrittsöffnungen (9) abhängig ist, deren Abstand zum Düsenaustritt
(3, 15) wesentlich kleiner als die Wellenlänge typischer Eingeschwingungen des Brennkammersystems
ist.
2. Brenner nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenaustritt (3)
zentral angeordnet ist.
3. Brenner nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenaustritt (15)
radial in den Brennraum mündet.
1. Burner with a fuel lance for feeding a gaseous fuel or a fuel/air mixture into
the combustion chamber of a gas turbine, characterized in that the fuel lance (1)
carries an internal restrictor (5) which is axially adjustable relative to a solid
body (10, 16, 17), this restrictor being provided on the downstream side with a number
of fuel passage orifices (9) pointing to the nozzle outlet (3, 15), and the fuel rate
(7a) which, under more than supercritical pressure conditions, flows at sonic velocity
through the fuel passage orifices (9) depends on the depth of penetration of the restrictor
(5) relative to the solid body (10, 16, 17) in the region of the fuel passage orifices
(9), the distance of which from the nozzle outlet (3, 15) is substantially smaller
than the havelength of typical resonant vibrations of the combustion chamber system.
2. Burner according to Patent Claim 1, characterized in that the nozzle outlet (3)
is arranged centrally.
3. Burner according to Patent Claim 1, characterized in that the nozzle outlet (15)
leads radially into the combustion chamber.
1. - Brûleur à injecteur de combustible pour l'admission d'un combistible gazeux ou
d'un mélange de combustible et d'air dans la chambre de combustion d'une turbine à
gaz, caractérisé en ce que l'injecteur de combustible (1) porte un élément étrangleur
intérieur (5) mobile axialement par rapport à un élément fixe (10, 16, 17), cet élément
mobile étant pourvu, du côté de sortie du combustible, d'un certain nombre d'orifices
de passage de combustible (9) orientés vers la sortie (3, 15) de l'injecteur et la
quantité de combustible (7a) qui passe par les orifices de passage de combustible
(9) à la vitesse du son dans des conditions de pression plus que supercritiques, dépendant
de la profondeur d'enfoncement de l'élément étrangleur (5) par rapport à l'élément
fixe (10,16,17) dans la zone des orifices de passage de combustible (9) dont l'éloignement
de la sortie (3, 15) de l'injectrur est nettement inférieur à la longueur d'onde des
oscillations propres typiques du système de chambre de combustion.
2.- Brûleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie (3) de l'injecteur
est une sortie centrale.
3.- Brûleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la sortir (15) de l'injecteur
s'ouvre radialement dans la chambre de combustion.