Vormischbrenneranordnung sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Vormischbrenner sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff mit einem Drallerzeuger für einen Verbrennungszuluftstrom zur Ausbildung einer Drallströmung sowie Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff in die Drallströmung, wobei der Drallerzeuger mittelbar über eine Mischzone oder unmittelbar an die Brennkammer jeweils über einen Brenneraustritt angrenzt, wobei am Brenneraustritt eine in Strömungsrichtung der Drallströmung unstete Querschnittserweiterung vorgesehen ist, durch die die Drallströmung unter Ausbildung einer Rückströmzone aufplatzt.

Stand der Technik

[0002] Vormischbrenner der vorstehend genannten Gattung sind aus einer Vielzahl vorveröffentlichter Druckschriften bekannt, so bspw. aus der EP A1 0 210 462 sowie der EP B1 0 321 809, um nur einige zu nennen. Vormischbrennern dieser Art liegt das allgemeine Wirkprinzip zugrunde, innerhalb eines zumeist als kegelförmig ausgebildeten Drallerzeugers, der wenigstens zwei mit entsprechend gegenseitiger Überlappung zusammengesetzte Teilkegelschalen vorsieht, eine aus einem Brennstoff-Luftgemisch bestehende Drallströmung zu erzeugen, die innerhalb einer in Strömungsrichtung dem Vormischbrenner nachfolgenden Brennkammer unter Ausbildung einer räumlich möglichst stabilen Vormischflamme zur Zündung gebracht wird. Hierbei ist die räumliche Lage der Vormischflamme bestimmt durch das aerodynamische Verhalten der Drallströmung, deren Drallzahl mit zunehmender Ausbreitung längs der Brennerachse zunimmt, damit instabil wird und letztlich durch einen unsteten Querschnittsübergang zwischen Brenner und Brennkammer in eine annulare Drallströmung unter Ausbildung einer Rückströmzone aufplatzt, in deren vorderen Bereich sich die Vormischflamme ausbildet

[0003] Es zeigt sich jedoch, dass die Wirbelrückströmzone über nur bedingt gute Stabilitätseigenschaften verfügt, weshalb bereits eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht worden, die Stabilitätseigenschaften derartiger Rückströmzonen zu verbessern, Im Wesentlichen gilt für eine möglichst stabile Wirbelrückströmzone, dass das axiale Profil der vom Drallkörper erzeugten Drallströmung im Zentrum, also im Bereich der Brennerachse, drallarm sein sollte und überdies sollte dort ein Axialgeschwindigkeitsüberschuss vorhanden sein. Diese Überlegungen haben zu einem Brenner gemäß der EP 0 321 809 B1 geführt.

[0004] Der in dieser Druckschrift beschriebene Doppelkegelbrenner ist in Figur 2 in schematisierter Weise in Form einer Längsschnittdarstellung gezeigt und weist einen kegelförmig ausgebildeten Drallerzeuger 1 auf, deren beide ineinander gesetzte Teilkegelschalen jeweils zwei Lufteintrittsschlitze 2 einschließen. Der Drallerzeuger 1 mündet am Brenneraustritt 3 über eine unstete Querschnittserweiterung direkt in die Brennkammer 4. Durch die tangentiale Einspeisung der Verbrennungszuluft längs der Lufteintrittsschlitze 2 wird eine Drallströmung erzeugt, die sich in axialer Strömungsrichtung mit zunehmendem Drall um die Axialrichtung des Drallerzeugers ausbreitet. Aufgrund des zunehmenden Dralls längs der axialen Strömungsrichtung nimmt die Instabilität der Drallströmung zu und geht in eine annulare Drallströmung mit Rückströmung über. Es bildet sich im Wesentlichen innerhalb der Brennkammer 4 im Bereich des Brenneraustrittes 3 eine Rückströmungszone 5 aus mit einer in Strömungsrichtung vorderen Front bzw. einem vorderen Staupunkt 6, dessen axiale Lage relativ zum Vormischbrenner 1 im Wesentlichen durch den Kegelwinkel 2y und die Schlitzbreite der Lufteintrittsschlitze 2 bestimmt wird. Durch die Größenwahl der vorstehenden Geometriewerte können Größe und Aussehen der Rückströmzone 5 im Wesentlichen bestimmt werden.

[0005] Innerhalb der Rückströmzone 5 bildet sich die Vormischflamme 7 aus, die sich am vorderen Bereich der inneren Rückströmzone 5 stabilisiert.

[0006] Untersuchungen der Stabilität einer derartigen Flamme 7 haben ergeben, dass die aerodynamische Stabilität der inneren Rezirkulations- bzw. Rückströmzone 5 entscheidenden Einfluss auf Lage, Form und Größe der Vormischflamme 7 haben.

[0007] Dient der vorstehend beschriebene Vormischbrenner zur Erzeugung von Heißgasen zum Antrieb einer Gasturbinenanlage, so gilt es aus Gründen der Optimierung des Wirkungsgrades der Gasturbineanlage den Druckverlust über den Brenner möglichst niedrig zu halten. Da Drallzahl und Druckverlust in direkter Proportionalität zueinander stehen, ist eine möglichst niedrige Drallzahl innerhalb der Drallströmung gewünscht, die gerade so gross gewählt sein sollte, dass sich eine innere Rückströmzone ausbildet.

[0008] Andererseits ist anzustreben, den vorderen Staupunkt 6 der Rückströmzone 5 aerodynamisch möglichst stabil zu halten, um zu verhindern, dass die mit dem vorderen Staupunkt 6 verankerte Vormischflammenfront durch starke Variation der Flammenposition thermoakustische Instabilitäten hervorruft, durch die nicht nur der Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage nachhaltig beeinflusst wird, sondern überdies erhebliche Materialbeanspruchungen an nahezu allen mit den Heißgasen in unmittelbaren Kontakt tretenden Komponenten der Gasturbinenanlage hervorrufen, wodurch letztlich die Gesamtlebensdauer der Anlage reduziert wird. Der Wusch nach einer möglichst hohen aerodynamischen Stabilität der Flammenvorderfront innerhalb der Rückströmzone steht jedoch im Widerspruch mit der wirkungsgradbedingten Drallzahlverringerung, die zu kleineren Drallgradienten im Brenner führt, insbesondere am Ort des vorderen Staupunktes 6. Ein kleinerer Drallgradient impliziert jedoch eine größere Auslenkung des Staupunktes in Strömungsrichtung bei möglicherweise auftretenden Störungen und unterstützt die vorstehend beschriebene Ausbildung thermoakustischer Instabilitäten.

Darstellung der Erfindung

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Vormischbrenner gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart weiterzubilden, dass einerseits die aerodynamische Stabilität der inneren Rückströmzone insbesondere im Bereich des vorderen Staupunktes erhöht werden soll, ohne dabei einen nennenswerten zusätzlichen Brennerdruckverlust in Kauf nehmen zu müssen. Ferner gilt es ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer anzugeben, das sowohl der Vermeidung des Auftretens thermoakustischer Schwingungen, als auch dem Bestreben einen möglichst geringen Brennerdruckverlust zu erzielen dienen soll.

[0010] Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Anspruches 8. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind dem Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

[0011] Dem erfindungsgemäßen Vormischbrenner liegt die Idee zugrunde, dass sich die aerodynamische Stabilität der freien inneren Rückströmzone dadurch erhöhen lässt, indem in Strömungsrichtung vor der sich ausbildenden Rückströmzone der Drallgradient der Drallströmung lokal vergrößert wird. Durch die lediglich lokale Vergrößerung des Drallgradienten, d. h. längs der sich axial ausbreitenden Drallströmung innerhalb des Vormischbrenners gilt es die Drallzahl in axialer Strömungsrichtung räumlich begrenzt von einer Ausgangsdrallzahl auf eine größere Drallzahl anzuheben und unmittelbar anschließend auf die Ausgangsdrallzahl oder einer verglichen zu dieser kleineren Drallzahl abzusenken. Es zeigt sich, dass mit der erfindungsgemäßen Maßnahme der Brennergesamtdruckverlust nur unwesentlich erhöht wird, wodurch sich keinerlei oder nur sehr geringe Auswirkungen auf den Gesamtwirkungsgrad einer Gasturbine ergeben.

[0012] Erfindungsgemäß zeichnet sich somit ein Vormischbrenner mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch aus, dass stromauf des Brenneraustrittes eine den Strömungsquerschnitt des Drallerzeugers oder falls vorhanden der Mischzone in Strömungsrichtung lokal verjüngende Kontur vorgesehen ist.

[0013] Diese, den Strömungsquerschnitt lokal verjüngende Kontur ist im Bereich der vordersten Front der Rückströmzone in Strömungsrichtung angeordnet und weist in Strömungsrichtung einen ersten, den Strömungsquerschnitt stetig verkleinernden Kulissenabschnitt auf, der kontinuierlich in einen zweiten Kulissenabschnitt mit einem geringsten Strömungsquerschnitt übergeht, an dem sich in Strömungsrichtung ein dritter, den Strömungsquerschnitt wieder stetig vergrößernder Kulissenabschnitt anschließt. Durch das Vorsehen einer, den Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung lokal verjüngenden Kontur wird die Drall- bzw. Brennerströmung im Bereich des ersten Kulissenabschnittes aufgrund der stetigen Strömungsquerschnittsverringerung nach der Strömungsbeziehungen von Bemoulli beschleunigt und nach Passieren des Bereiches mit dem geringsten Strömungsquerschnitt entsprechend verzögert.

[0014] Aufgrund dieser konvergent- divergenten Strömungsführung längs der Brennerachse in Strömungsrichtung durch die den Strömungsquerschnitt verjüngende Kontur wird der Drallgradient lokal erhöht, wodurch sich wiederum die aerodynamische Stabilität der sich ausbildenden Vorderfront der Rückströmzone verbessert. Wesentlich dabei ist, dass aufgrund einer unveränderten Brennerkontur am Brenneraustritt, zumal sich die Kontur stromauf des Brenneraustrittes befindet, der Brennerdruckverlust nur unwesentlich beeinflusst wird. Eine Beeinträchtigung des Gesamtwirkungsgrades einer Gasturbine kann hierdurch weitgehend vermieden werden.

[0015] Handelt es sich bei dem Vormischbrenner um einen Doppelkegelbrenner, dessen Drallerzeuger im Wesentlichen aus zwei ineinander gesetzte Teilkegelschalen besteht, und ist ferner zwischen dem Doppelkegelbrenner und der Brennkammer kein weiteres Mischrohr vorgesehen, so dass der Drallerzeuger mit seinem Brenneraustritt unmittelbar in die Brennkammer über eine unstete Querschnittserweiterung mündet, so bewirkt die erfindungsgemäße Vorkehrung, die einerseits als Zusatzform an geeigneter axialer Stelle längs des Innenumfangsrandes beider Teilkegelschalen zusätzlich angefügt werden kann, wodurch die Möglichkeit einer Retrovistierbarkeit gegeben ist, oder die formgebend bereits in die innwandige Seite beider Teilkegelschalen einstückig eingearbeitet ist, für eine elliptische Querschrittsformgebung am Ort des durch die Kontur bedingten engsten bzw. kleinsten Strömungsquerschnitt. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Maßnahme auch bei Vormischbrennersystemen anwendbar, deren Drallerzeuger aus mehr als zwei Teilkegelschalen zusammengefügt sind oder zwischen Drallerzeuger und Brennkammer ein Mischrohr als zusätzliche Mischzone vorsehen. Im Falle des Vorsehens von Mischrohren ist die den Strömungsquerschnitt verjüngende Kontur im Innenwandbereich des Mischrohres nahe des Brenneraustrittes am Übergang zur Brennkammer vorzusehen.

[0016] Dem erfindungsgemäßen Konzept der lokalen Strömungsquerschnittverjüngung zum Zwecke der aerodynamischen Stabilisierung der sich ausbildenden Rückströmzone innerhalb eines Vormischbrenners, der vorzugsweise zum Betrieb einer Brennkammer verwendet wird, die zur Befeuerung einer Gasturbinenanlage dient, liegt der verfahrenstechnische Gedanke zugrunde, am Ort des vordersten Staupunktes der Rückströmzone aerodynamische Verhältnisse zu schaffen, die ein axiales Auswandern des Staupunktes verhindern. Hierzu wird die in axiale Strömungsrichtung orientierte Drallströmung durch den konturbedingten Düseneffekt innerhalb des Vormischbrenners, bspw. innerhalb des Drallerzeugers axial vor dem vordersten Staupunkt der Rückströmzone beschleunigt und ebenfalls in Strömungsrichtung vor dem Staupunkt der Rückströmzone derart verzögert, dass am axialen Ort des Staupunktes ein möglichst großer Geschwindigkeitsgradient mit Strömungsrichtungsumkehr vorherrscht. Dies kann durch eine gezielt vor dem Ort des Staupunktes liegende konvergente und divergente Strömungsführung erreicht werden. Weitere Einzelheiten sind der Beschreibung zu den Ausführungsbeispielen im weiteren zu entnehmen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0017] Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

schematisierte Teil-Längsschnittdarstellung durch einen Drallerzeuger,

Fig. 2

schematisierte Längsschnittdarstellung durch einen Vormischbrenner mit Brennkammer,

Fig. 3

Querschnittsdarstellung durch einen Drallerzeuger am Ort des geringsten Strömungsquerschnittes,

Fig. 4

Diagrammdarstellung des Geschwindigkeitsgradienten in Strömungsrichtung längs der den Strömungsquerschnitt verjüngenden Kulisse,

Fig. 5

Diagramm zur Darstellung der Druckfluktuationen bei niedrigen Temperaturen sowie

Fig. 6

Diagrammdarstellung mit Emissionswerten.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

[0018] Figur 1 zeigt einen schematisierten Ausschnitt eines Längsschnittes durch einen Drallerzeuger eines Doppelkegelvormischbrenners mit einer Brennerwand 8 die mit der Brennerachse A einen hälftigen Kegelwinkel γ einschließt. Vor Brenneraustritt 3 ist innwandig an der Brennerwand 8 eine den axialen Strömungsquerschnitt verjüngende Kontur 9 vorgesehen. Die Kontur 9 verkleinert den Strömungsquerschnitt längs zur Brennerachse A innerhalb eines lokalen Bereiches 10 derart, dass Form und Größe des Brenneraustritts 3 durch die Kontur 9 nicht beeinträchtigt sind. Die Kontur 9 weist einen ersten Kulissenabschnitt 91 auf, durch den der Strömungsquerschnitt stetig verkleinert wird. Unmittelbar an den ersten Kulissenabschnitt 91 schließt sich ein zweiter Kulissenabschnitt 92 an, der den kleinsten Strömungsquerschnitt vorgibt. Vorzugsweise ist der zweite Kulissenabschnitt 92 lediglich punkt bzw. linienförmig ausgebildet. An den Bereich des kleinsten Strömungsquerschnitts schließt sich stromab ein dritter Kulissenabschnitt 93 an, durch den der Strömungsquerschnitt wieder aufgeweitet wird, vorzugsweise bis auf ein Maß, das durch die Brennerwand 8 austrittsseitig vorgegeben ist.

[0019] Die den Strömungsquerschnitt verjüngende Kontur 9 läuft im Falle eines Doppelkegelbrenners in Umfangsrichtung zu beiden Teilkegelschalen annular weitgehend geschlossen um, so dass durch das Zusammenwirken der jeweils an beiden Teilkegelschalen angebrachten Konturen 9 eine Strömungskulisse gebildet wird, die jener einer Venturidüse entspricht.

[0020] Detailliertere Angaben hinsichtlich Ausbildung und Anordnung der Kontur 9 innerhalb des Vormischbrenners leiten sich aus theoretischen Überlegungen sowie experimentellen Beobachtungen ab. Geht man in Bezug auf Figur 1 davon aus, dass die Brennerachse A in Strömungsrichtung als x-Achse angesehen wird, so ergeben sich bezogen zur x-Achse folgende beispielhafte Designparameterforderungen:



und

mit

x:

Orts-Koordinate längs der Mittelachse einer Teilkegelschale

R1:

radialer Abstand zwischen der Mittelachse einer Teilkegelschale und der Oberfläche der Kontur am Ort x längs der Mittelachse

RB:

radialer Abstand zwischen der Mittelachse einer Teilkegelschale und der Oberfläche der ursprünglichen Teilkegelschale am Ort x längs der Mittelachse

R2:

Überhöhung der Kontur gemessen von der Oberfläche der Teilkegelschale am Ort x längs der Mittelachse

α:

Winkel zwischen einer Tangentialoberfläche an der Kontur und der Mittelachse der Teilkegelschale am Ort x längs der Mittelachse

γ:

halber Kegelwinkel.

[0021] Zu den Begriffen"Brennerachse" und Mittelachse der jeweiligen Teilkegelschalen sei angemerkt, dass aus Gründen einer vereinfachten Beschreibung hinsichtlich des Strömungsverhaltens innerhalb des Drallerzeugers lediglich von einer Brennerachse A gesprochen wird. Aufgrund der Mehrteiligkeit des Drallerzeugers, der zwei oder mehr ineinander greifende Teilkegelschalen vorsieht, weist jedoch jede einzelnen Teilkegelschale eine ihr zugeordnete Teilkegelmittelachse auf, kurz Mittelachse der jeweiligen Teilkegelschale. Durch die räumliche Anordnung der Teilkegelschalen fallen diese entsprechenden Mittelachsen nicht zusammen. Für die vorstehenden Designparameterforderungen muss jedoch auf die entsprechenden Mittelachsen der Teilkegelschalen abgehoben werden.

[0022] Auf die Beschreibung von Figur 2 ist bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich eingegangen worden, so dass auf eine nochmalige Beschreibung an dieser Stelle verzichtet wird.

[0023] Figur 3 zeigt einen schematisierten Querschnitt durch einen Doppelkegelbrenner im Bereich des konturbedingten engsten Strömungsquerschnittes 92. Beide Teilkegelschalen 10, 11 weisen jeweils ihnen zugehörige Mittelachsen M11, M 12 auf und sind derart ineinander gesetzt, dass sie zwei gegenüberliegende tangential verlaufende Lufteintrittsschlitze 2 miteinander einschließen. Bedingt durch die Konturen 9 wird der gesamte Strömungsquerschnitt durch den Drallerzeuger in Art einer Ellipsenform (strichlierter Linienzug) eingeengt. Ein derartig elliptischer Strömungsquerschnitt hat in vorteilhafter Weise aerodynamisch stabilisierende Auswirkungen auf das Brennerverhalten über einen weiten Betriebsbereich. Zur Vermeidung einer Beeinträchtigung des Einströmverhaltens an den Lufteintrittsschlitzen 2 sind die Konturen 9 in diesen Bereichen strömungsgünstig entsprechend ausgedünnt, um letztlich die Schlüzweite nicht zu verringern.

[0024] In Figur 4 ist ein Diagramm zur Verdeutlichung des axialen Geschwindigkeitsprofils durch den Vormischbrenner bzw. Drallerzeuger dargestellt. Die x-Achse entspricht der Brennerachse, die y-Achse die in axialer Strömungsrichtung orientierte Strömungsgeschwindigkeit u der Brennerströmung. Im Falle einer konventionellen Brenneranordnung, d. h. ohne die Verwendung der erfindungsgemäßen, den Strömungsquerschnitt lokal verjüngenden Kontur 9 (siehe durchgezogene Linie) steigt die axiale Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Vormischbrenners an, wird aufgrund zunehmender Strömungsinstabilität abgebremst und es erfolgt nicht zuletzt bedingt durch die unstete Querschnittserweiterung am Brenneraustritt eine lokale Strömungsumkehr (siehe Lage des Staupunktes 6), wodurch sich die vorstehend bereits erwähnte Rückströmzone (5) ausbildet.

[0025] Um den vordersten Staupunkt 6 der Rückströmzone 5 zu stabilisieren, d. h. bezogen zur x-Achse möglichst unverändert zu lassen, hat sich gezeigt, dass durch eine lokale Strömungsgeschwindigkeitserhöhung sowie deutlichere Geschwindigkeitsverzögerung am Ort des Staupunktes 6 ein größere Geschwindigkeitsgradient erreicht werden kann, der die Lagestabilität des Staupunktes 6 erheblich verbessert. Hierzu dient die ebenfalls über dem Diagramm schematisch dargestellte, den Strömungsquerschnitt verjüngende Kontur 9, die aufgrund des Bernoullieffektes zunächst zu einer Beschleunigung der Strömungsgeschwindigkeit in x-Richtung und nach Überschreiten des Bereiches mit dem geringsten Strömungsquerschnitt zu einer effizienten Strömungsverzögerung führt, wodurch das Geschwindigkeitsprofil einen größeren Gradienten, insbesondere im vorderen Staupunkt 6 erfährt (siehe strichlierte Linie). Durch diese lokale Erhöhung des Geschwindigkeits- bzw. auch Drallgradientens durch die konvergent divergente Strömungsführung erhöht sich die aerodynamische Stabilität des Staupunktes 6 ohne dabei nennenswerte Brennerdruckverluste in Kauf nehmen zu müssen.

[0026] Die Durchführung von atmosphärischen Verbrennungstests mit jeweils zwei baugleichen Brennern mit und ohne Konturierung haben ergeben, dass Vormischbrenner mit der erfindungsgemäßen Konturierung deutlich geringere Druckfluktuationen aufweisen als entsprechend konventionell ausgebildete Vormischbrenner. Figur 5 zeigt hierzu eine Diagrammdarstellung, längs deren x-Achse die Flammentemperatur und längs deren y-Achse die Stärke von Druckfluktuationen in normierter Darstellung angegeben ist. Der Linienzug mit den quadratischen Markierungen entspricht dem Betrieb eines Vormischbrenners mit erfindungsgemäßer Konturierung, der mit den Rauten durchsetzte Graf entspricht einem konventionellen Vormischbrenner. Sehr deutlich zeigt sich, dass vor allem bei niedrigen Flammtemperaturen weitaus geringere Druckschwankungen bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Vormischbrenner auftreten als bei einem Konventionellen.

[0027] Auch zeigt sich, dass die erfindungsgemäße Vorkehrung nahezu keinerlei Auswirkungen auf ein erhöhtes Emissionsverhalten hinsichtlich Stickoxide hat. In Figur 6 ist ein Diagramm dargestellt, längs deren x-Achse die und längs deren y-Achse die Stickoxidkonzentration in normierter Darstellung aufgetragen ist. Sowohl der Vormischbrenner mit erfindungsgemäß ausgebildeter Konturierung (siehe hierzu Linie mit Rechtecken) sowie auch ein konventioneller Vormischbrenner (siehe hierzu Linie mit Rauten) verlaufen weitgehend parallel auf einem niedrigen Niveau.

Bezugszeichenliste

[0028] 

1

Vormischbrenner, Drallerzeuger

2

Lufteintrittsschlitz

3

Brenneraustritt

4

Brennkammer

5

Rückströmungszone

6

Vorderer Staupunkt bzw. vordere Front der Rückströmungszone

7

Vormischflamme, Rückströmblase

8

Brennerwand

9

Kontur

91,92,93

Kulissenabschnitte

10

Lokaler, axialer Bereich

11, 12

Teilkegelschalen

Ansprüche

1. Vormischbrenner zum Betreiben einer Brennkammer (4) mit einem flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff mit einem Drallerzeuger (1) für einen Verbrennungszuluftstrom zur Ausbildung einer Drallströmung sowie Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff in die Drallströmung, wobei der Drallerzeuger (1) mittelbar über eine Mischzone oder unmittelbar an die Brennkammer (4) jeweils über einen Brenneraustritt (3) angrenzt, wobei am Brenneraustritt (3) eine in Strömungsrichtung der Drallströmung unstete Querschnittserweiterung vorgesehen ist, durch die die Drallströmung unter Ausbildung einer Rückströmzone (5) aufplatzt, wobei der Drallerzeuger (1) wenigstens zwei sich zu einem Körper ergänzende Teilkegelschalen (11, 12) aufweist, die gemeinsam einen kegelförmig ausgebildeten Drallraum mit einem Kegelwinkel 2y sowie in Kegellängserstreckung tangentiale Lufteintrittsschlitze (2) einschließen, und wobei jeder Teilkegelschale (11, 12) jeweils eine Mittelachse (M11, M12) zuordenbar ist, die räumlich betrennt voneinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Brenneraustrittes (3) eine den Strömungsquerschnitt des Drallerzeugers (1) oder der Mischzone in Strömungsrichtung lokal verjüngende Kontur (9) vorgesehen ist, die im Bereich der vordersten Front der Rückströmzone in Strömungsrichtung angeordnet ist und in Strömungsrichtung einen ersten den Strömungsquerschnitt stetig verkleinernden Kulissenabschnitt (91), einen zweiten Kulissenabschnitt (92) mit einem geringsten Strömungsquerschnitt sowie einen dritten sich in Strömungsrichtung an den zweiten Kulissenabschnitt anschließenden, den Strömungsquerschnitt stetig vergrößernden Kulissenabschnitt (93) aufweist.

2. Vormischbrenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (9) am Innenumfangsrand des Drallerzeugers (1) oder der Mischzone vorgesehen ist.

3. Vormischbrenner nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (9) einen Strömungskanal einschließt, der in Art einer Venturidüse ausgebildet ist.

4. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kulissenabschnitt (93) eine axiale Lage innerhalb des Vormischbrenners besitzt, die im Bereich der in Strömungsrichtung vordersten Front (6) der sich ausbildenden Rückströmzone (5) liegt.

5. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (1) unmittelbar über den Brenneraustritt (3) an die Brennkammer (4) angrenzt und die den Strömungsquerschnitt des Drallerzeugers (1) lokal verjüngende Kontur (9) durch folgende Geometriebedingungen beschreibbar ist:



und

mit

x: Orts-Koordinate längs der Mittelachse einer Teilkegelschale

R1: radialer Abstand zwischen der Mittelachse einer Teilkegelschale und der Oberfläche der Kontur am Ort x längs der Mittelachse

RB: radialer Abstand zwischen der Mittelachse einer Teilkegelschale und der Oberfläche der ursprünglichen Teilkegelschale am Ort x längs der Mittelachse

R2: Überhöhung der Kontur gemessen von der Oberfläche der Teilkegelschale am Ort x längs der Mittelachse

α: Winkel zwischen einer Tangentialoberfläche an der Kontur und der Mittelachse der Teilkegelschale am Ort x längs der Mittelachse

γ: halber Kegelwinkel.

6. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Strömungsquerschnitt im Bereich der Kontur (9) elliptisch geformt ist.

7. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Brennkammer (4) Turbinenstufen einer Gasturbinenanlage anschließen.

8. Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer unter Verwendung eines Vormischbrenners nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drallströmung in axialer Strömungsrichtung innerhalb des Drallerzeugers (1) oder in einer sich an den Drallerzeuger (1) anschließenden Mischzone lokal beschleunigt sowie verzögert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Beschleunigung der Drallströmung vor der vordersten Front (6) der sich ausbildenden Rückströmzone (5) und die Verzögerung zumindest teilweise vor der vordersten Front (6) der sich ausbildenden Rückströmzone (5) erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung und Verzögerung unter Nutzung des Bernoulli-Effektes erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass der Drallgradient der Drallströmung in Strömungsrichtung lokal vergrößert wird.

Claims

1. Premixing burner for operating a combustion chamber (4) by means of a liquid and/or gaseous fuel, with a swirl generator (1) for a combustion inflow air stream for forming a swirl flow, and with means for the injection of fuel into the swirl flow, the swirl generator (1) being adjacent to the combustion chamber (4) indirectly via a mixing zone or directly, in each case via a burner outlet (3), a cross-sectional widening at the burner outlet (3) being provided, which is discontinuous in the flow direction of the swirl flow and through which the swirl flow bursts open so as to form a backflow zone (5), the swirl generator (1) having at least two part-conical shells (11, 12) which complete one another to form a body and which jointly enclose a conically designed swirl space with a cone angle 2γ and air inlet slits (2) tangential in the cone longitudinal extent, and a mid-axis (M11, M12) being assigned in each case to each part-conical shell (11, 12), said mid-axes running separately from one another in spatial terms, characterized in that a contour (9) locally narrowing the flow cross section of the swirl generator (1) or of the mixing zone in the flow direction is provided upstream of the burner outlet (3), the contour is arranged in the flow direction in the region of the foremost front of the backflow zone and has in the flow direction a first segment (91) which continuously reduces the flow cross section, a second segment (92) with a smallest flow cross section and a third segment (93) adjoining the second segment in the flow direction and continuously increasing the flow cross section.

2. Premixing burner according to Claim 1, characterized in that the contour (9) is provided at the inner circumferential edge of the swirl generator (1) or of the mixing zone.

3. Premixing burner according to Claim 1 or 2, characterized in that the contour (9) encloses a flow duct which is designed in the manner of a Venturi tube.

4. Premixing burner according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the third segment (93) possesses, within the premixing burner, an axial position which lies in the region of that front (6) of the forming backflow zone (5) which is foremost in the flow direction.

5. Premixing burner according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the swirl generator (1) is directly adjacent to the combustion chamber (4) via the burner outlet (3), and the contour (9) locally narrowing the flow cross section of the swirl generator (1) can be described by the following geometric conditions:



and

with

x: locus coordinate along the mid-axis of a part-conical shell

R1: radial distance between the mid-axis of a part-conical shell and the surface of the contour at the locus x along the mid-axis

RB: radial distance between the mid-axis of a part-conical shell and the surface of the original part-conical shell at the locus x along the mid-axis

R2: elevation of the contour, measured from the surface of the part-conical shell at the locus x along the mid-axis

α: angle between a tangential surface of the contour and the mid-axis of the part-conical shell at the locus x along the mid-axis

γ : cone half angle.

6. Premixing burner according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the smallest flow cross section is shaped elliptically in the region of the contour (9).

7. Premixing burner according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the combustion chamber (4) is followed by turbine stages of a gas turbine plant.

8. Method for operating a combustion chamber, using a premixing burner according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the swirl flow is locally accelerated and decelerated in the axial flow direction within the swirl generator (1) or in a mixing zone adjoining the swirl generator (1).

9. Method according to Claim 8, characterized in that the axial acceleration of the swirl flow takes place upstream of the foremost front (6) of the forming backflow zone (5), and deceleration takes place at least partially upstream of the foremost front (6) of the forming backflow zone (5).

10. Method according to one of Claims 8 to 9, characterized in that the acceleration and deceleration take place, utilizing the Bernoulli effect.

11. Method according to one of Claims 8 to 10, characterized in that the swirl gradient of the swirl flow is increased locally in the flow direction.

Revendications

1. Brûleur à prémélange pour faire fonctionner une chambre de combustion (4) avec un combustible liquide et/ou gazeux comprenant un générateur de tourbillon (1) pour un flux d'air comburant afin de produire un écoulement tourbillonnaire, et comprenant aussi des moyens pour injecter du combustible dans l'écoulement tourbillonnaire, le générateur de tourbillon (1) étant adjacent à la chambre de combustion (4), directement ou indirectement par le biais d'une zone de mélange, et à chaque fois par le biais d'une sortie du brûleur (3), un élargissement de section transversale étant prévu au niveau de la sortie du brûleur (3), de manière désaxé dans la direction d'écoulement de l'écoulement tourbillonnaire, à travers lequel l'écoulement tourbillonnaire éclate en formant une zone de reflux (5), le générateur de tourbillon (1) présentant au moins deux coques coniques partielles (11, 12) se complétant pour former un corps, lesquelles incluent ensemble un espace tourbillonnaire en forme de cône avec un angle de conicité 2γ ainsi que des fentes d'entrée d'air (2) tangentielles dans la direction longitudinale du cône, chaque coque conique partielle (11, 12) pouvant être associée à chaque fois à des axes médians respectifs (M11, M12), qui s'étendent de manière séparée physiquement l'un de l'autre, caractérisé en ce qu'en amont de la sortie du brûleur (3), on prévoit un contour (9) réduisant localement dans la direction de l'écoulement la section transversale d'écoulement du générateur de tourbillon (1) ou de la zone de mélange, le contour étant disposé dans la région du front avant de la zone de reflux dans la direction de l'écoulement et présentant, dans la direction d'écoulement, une première portion de coulisse (91) réduisant constamment la section transversale d'écoulement, une deuxième portion de coulisse (92) avec une section transversale d'écoulement minimale ainsi qu'une troisième portion de coulisse (93) augmentant constamment la section transversale d'écoulement et se raccordant dans la direction de l'écoulement à la deuxième portion de coulisse.

2. Brûleur à prémélange selon la revendication 1,
caractérisé en ce que le contour (9) est prévu sur le bord périphérique interne du générateur de tourbillon (1) ou de la zone de mélange.

3. Brûleur à prémélange selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que le contour (9) inclut un canal d'écoulement, qui est réalisé à la façon d'un tube venturi.

4. Brûleur à prémélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que la troisième portion de coulisse (93) possède une position axiale à l'intérieur du brûleur à prémélange qui est située dans la région du front (6) avant, dans la direction de l'écoulement, de la zone de reflux (5) qui se forme.

5. Brûleur à prémélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisé en ce que le générateur de tourbillon (1) est directement adjacent à la chambre de combustion (4) par le biais de la sortie de brûleur (3) et le contour (9) réduisant localement la section transversale d'écoulement du générateur de tourbillon (1) peut être décrit par les conditions géométriques suivantes :



et

avec :

x : coordonnée de position le long de l'axe médian d'une coque conique partielle

R1: distance radiale entre l'axe médian d'une coque conique partielle et la surface du contour au lieu x le long de l'axe médian

RB : distance radiale entre l'axe médian d'une coque conique partielle et la surface de la coque conique partielle d'origine au lieu x le long de l'axe médian

R2 : surélévation du contour mesurée depuis la surface de la coque conique partielle au lieu x le long de l'axe médian

α : angle entre une surface tangentielle au contour et l'axe médian de la coque conique partielle au lieu x le long de l'axe médian

γ _: demi-angle de conicité.

6. Brûleur à prémélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que la plus petite section transversale d'écoulement a une forme elliptique dans la région du contour (9).

7. Brûleur à prémélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,
caractérisé en ce que des étages de turbine d'une installation de turbine à gaz se raccordent à la chambre de combustion (4).

8. Procédé pour faire fonctionner une chambre de combustion en utilisant un brûleur à prémélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,
caractérisé en ce que l'écoulement tourbillonnaire est accéléré et ralenti localement dans la direction axiale de l'écoulement à l'intérieur du générateur de tourbillon (1) ou dans une zone de mélange se raccordant au générateur de tourbillon (1) .

9. Procédé selon la revendication 8,
caractérisé en ce que l'accélération axiale de l'écoulement tourbillonnaire a lieu avant le front avant (6) de la zone de reflux (5) qui se forme et le ralentissement a lieu au moins en partie avant le front avant (6) de la zone de reflux (5) qui se forme.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 9,
caractérisé en ce que l'accélération et le ralentissement ont lieu en utilisant l'effet Bernoulli.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10,
caractérisé en ce que le gradient de tourbillon de l'écoulement tourbillonnaire augmente localement dans la direction de l'écoulement.

Zeichnung