DE69101794T2

DE69101794T2 - Brennkammer und Verbrennungsverfahren.

Info

Publication number: DE69101794T2
Application number: DE69101794T
Authority: DE
Inventors: William Theodore Bechtel; Masayoshi Kuwata; Roy Marshall Washam
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-02-05
Filing date: 1991-02-01
Publication date: 1994-12-15
Anticipated expiration: 2011-02-02
Also published as: KR950013648B1; CN1054823A; NO176116C; EP0441542B1; NO176116B; JPH04214122A; DE69101794D1; KR910015817A; US5117636A; EP0441542A1; NO910418D0; JPH0769057B2; NO910418L; CN1050890C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner und ein Verfahren zum Verbrennen von Brennstoff. Der Brenner kann beispielsweise in einer Gasturbine verwendet werden.
In den vergangenen Jahren sind Hersteller von Gasturbinen zunehmend mit Verunreinigungs-Emissionen befaßt worden. Von besonderer Bedeutung sind die Emissionen von Stickoxyden (NOx) gewesen, weil diese Oxyde ein Vorläufer für Luftverschmutzung sind.
Es ist bekannt, daß die NOx-Bildung mit steigender Flammentemperatur und mit zunehmender Verweilzeit ansteigt. Es ist deshalb theoretisch möglich, NOx Emissionen dadurch zu vermindern, daß die Flammentemperatur gesenkt und/oder die Zeit verkürzt wird, während der die reagierenden Gase an der Spitzentemperatur bleiben. In der Praxis ist dies jedoch schwer zu erreichen aufgrund der Flammencharakteristiken bei der turbulenten Verteilung in derzeitigen Gasturbinenbrennern. In derartigen Brennern beziehungsweise Brennkammern erfolgt die Verbrennung in einer dünnen Schicht, die entweder die verdampfenden Tröpfchen des flüssigen Brennstoffs oder die sich verteilenden Strahlen von gasförmigem Brennszoff bei einem Brennstoff/Luft-Gleichgewichtsverhältnis nahe Eins unabhängig von dem gesamten Gleichgewichtsverhältnis der Reaktionszone umgibt. Da dies der Zustand ist, der die höchste Flammentemperatur zur Folge hat, werden relativ große Mengen an NOx erzeugt.
Es ist auch bekannt, daß die Injektion von signifikanten Mengen an Wasser oder Dampf die NOx Erzeugung verkleinern kann, so daß die üblichen Brenner die niedrigen NOx Emissionserfordernisse erfüllen können. Eine derartige Injektion hat jedoch auch viele Nachteile, zu denen eine Erhöhung der Systemkomplexität, eine Erhöhung der Betriebskosten aufgrund der Notwendigkeit für die Wasserbehandlung und die Verschlechterung von anderen Leistungsparametern gehören.
Das Problem der Realisierung geringer NOx Emissionen wird sogar noch komplizierter, wenn es notwendig ist, andere Verbrennungsauslegungskriterien zu erfüllen. Zu diesen Kriterien gehören gute Zündungsqualitäten, gutes Kreuzfeuervermögen, Stabilität über dem gesamten Belastungsbereich, kleine Querzahl oder ebenes Abgastemperaturprofil, lange Lebensdauer und die Fähigkeit zu einem sicheren Betrieb.
Einige der Faktoren, die die Bildung von Stickoxyden aus Brennstoff-Stickstoff und Luft-Stickstoff zur Folge haben, sind bekannt, und es sind Bemühungen angestellt worden, verschiedene Brenneroperationen im Lichte dieser Faktoren anzupassen. Diesbezüglich wird beispielsweise auf die US- Patentschiften 39 58 413, 39 58 416, 39 46 553 und 44 20 929 hingewiesen. Die bisher verwendeten Verfahren waren jedoch entweder nicht anpaßbar für eine Verwendung in einem Brenner für eine stationäre Gasturbine oder sie waren aus den nachfolgend angegebenen Gründen nicht angemessen.
US-A-39 05 192 beschreibt ein Gasturbinentriebwerk, das einen Ringbrenner mit mehreren in Stufen angeordneten Vormischröhren aufweist, die von seinem vorderen Ende ausgehen. Jede Röhre richtet eine Strömung zu dem Brenner durch zwei konzentrische Strömungskanäle. Ein bewegbarer Rohrabschnitt ist so angeordnet, daß er die gesamte Luft durch beide Strömungskanäle oder nur durch einen Kanal richtet.
Brennstoff wird in die Vormischröhre der Stufe gerichtet für ein Mischen mit hindurchströmender Luft. Für eine Kühlung wird um die primäre Zone des Brenners herum gesorgt, um so für eine minimale Kühlströmung in die primäre Zone zu sorgen.
Es kann eine Venturi-Konfiguration verwendet werden, um die Verbrennungsflamme zu stabilisieren. In derartigen Anordnungen werden verminderte NOx Emissionen dadurch erzielt, daß Spitzenflammentemperaturen durch das Verbrennen eines mageren, gleichförmigen Gemisches von Brennstoff und Luft abgesenkt werden. Gleichförmigkeit wird dadurch erreicht, daß Brennstoff und Luft in dem Brenner stromaufwärts von der Venturi-Konfiguration vorgemischt werden und das Gemisch dann stromabwärts von dem scharfkantigen Venturi-Hals gezündet wird. Die Venturi-Konfiguration soll aufgrund der Beschleunigung der Strömung vor dem Hals die Flamme daran hindern, in den Vormischbereich zurückzuschlagen. Weiterhin ist die Natur der Strömung neben der stromabwärtigen Wand der Venturi-Konfiguration eine Zone abgetrennter Strömung und es wird angenommen, daß sie als ein Flammenhaltebereich dient. Dieser Flammenhaltebereich ist für eine kontinuierliche, stabile Verbrennung von vorgemischtem Brennstoff notwendig. Da die Venturi-Wände eine Verbrennungsflamme begrenzen, müssen sie gekühlt sein. Dies wird mit auf die Rückseite auftref fender Luft herbeigeführt, die dann in die Verbrennungszone an dem stromabwärtigen Ende der Venturi- Konfiguration gelangt. Derartige Anordnungen sind jedoch nicht vollständig zufriedenstellend gewesen.
US-A 42 92 801 von Wilkes und Hilt, die durch diese Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung eingeschlossesn wird, beschreibt einen Gasturbinenbrenner, der eine stromaufwärtige Brennkammer und eine stromabwärtige Brennkammer aufweist, die durch einen Venturi-Hals oder einen Verengungsbereich getrennt sind.
US-A-44 13 477 von Deanard White beschreibt eine Entwicklung von US-A-42 92 801, in der mehrere Faltungen in dem stromabwärtigen Umfang von einem Einsatz gebildet sind, der den Venturi-Hals bildet. Die Faltungen bilden Luftströmungskanäle, die die Kühlung des stromabwärtigen Umfangs des Einsatzes unterstützen. Die Kanäle erstrecken sich nur zu dem Umfang des Einsatzes.
Andere Patentanmeldungen, die auf die Verminderung von NOx Emissionen gerichtet sind, umfassen europäische Patentanmeldungen EP-A-273126 (15DV-2910) und EP-A-269824 (51DV- 2903), die durch diese Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung aufgenommen werden. EP-A-269824 (51DV-2903) ist auf vorgemischten Brennstoff und Luft aufweisende Brenneranordnungen mit einer Venturi-Konfiguration gerichtet.
Eine Verbrennung mit vorgemischtem Brennstoff ist durch ihre Natur sehr instabil. Der instabile Zustand kann zu einer Situation führen, in der die Flamme nicht aufrecht erhalten werden kann, was als "Ausblasen" bezeichnet wird. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß die Brennstoff/Luft-Stöchiometrie auf gerade oberhalb der mageren Entflammbarkeitsgrenze abgesenkt ist, ein Zustand, der erforderlich ist, um geringe NOx Emissionen zu erreichen. Das Problem, das mit dem vorgemischten, trocknen, wenig NOx-erzeugenden Brenner zu lösen ist, besteht darin, das Brennstoff/Luft-Gemisch abzumagern, um NOx zu vermindern, während eine stabile Flamme bei der gewünschten Betriebstemperatur beibehalten wird. Es ist ferner wünschenswert, eine stabile vorgemischte Verbrennung über einem weiten Bereich von Verbrennungstemperaturen zu haben, um eine größere Flexibilität im Betrieb der Gasturbine zu gestatten und die Lebensdauer von Turbinenbrennersystemen zu verlängern.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird ein Brenner geschaffen, enthaltend:
eine Vormischkammer zum Mischen vom Brennstoffgas und Luft,
eine Brennkammer, die stromabwärts von der Vormischkammer angeordnet ist für die Verbrennung des Gemisches von Brennstoffgas und Luft und im Betrieb einer Ablösungszone und eine Verbrennungszone stromabwärts von der Ablösungszone aufweist,
eine Venturi-Einrichtung, die zwischen der Vormischkammer und der Brennkammer angeordnet ist und durch die hindurch das Gemisch von Brennstoffgas und Luft zur Brennkammer strömt, und
einen Kanal für eine Kühlgasströmung, der sich axial entlang wenigstens einem Teil der stromabwärtigen Oberfläche der Venturi-Einrichtung in dem Bereich der Brennkammer erstreckt,
wobei der Kanal auf der Seite der Venturi-Einrichtung angeordnet ist, die derjenigen gegenüberliegt, auf der das Gemisch von Brennstoffgas und Luft zur Brennkammer strömt, und
der Kanal sich stromabwärts in der Brennkammer über den Mittelbereich der Ablösungszone hinaus erstreckt, wodurch der Brenner über einem großen Temperaturbereich betrieben werden kann, um die NOx Emissionen des Brenners zu verkleinern.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Zuführen von Brennstoff zu einem Gasturbinenbrenner mit einer Ablösungszone und einer Verbrennungszone mit geringen Stickoxyd- und Kohlenstoffmonoxid- Emissionen, enthaltend: Mischen von Brennstoffgas und Luft in einem Vormischer; Hindurchleiten des Gemisches von Brennstoffgas und Luft nach dem Mischen durch eine Venturi- Verengung in dem Gasturbinenbrenner, um seine Strömung zu beschleunigen; Kühlen von wenigstens der Wand der Venturi- Verengung in dem Bereich der Verbrennungszone mit einem Kühlgas; Hindurchleiten des Kühlgases durch einen Kanal, der neben der Wand der Venturi-Verengung angeordnet ist und sich über den Mittelbereich der Ablösungszone hinaus erstreckt; und Zünden des Gemisches für eine Verbrennung innerhalb der Verbrennungszone des Brenners.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird nun als Beispiel auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
Figur 1 eine vereinfachte Darstellung von einem Querschnitt von einem Gasturbinen-Verbrennungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Figur 2 eine Kurvendarsellung der verbesserten Betriebscharakteristiken ist, die durch die Verwendung des vorliegenden Verbrennungssystems realisiert werden;
Figur 3 ein in verminderter Größe gezeigter Teilquerschnitt von einem Abschnitt von Figur 1 ist und ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält.
In Figur 1 sind mit 10 und 11 Abschnitte von einer ringförmigen vormischenden Kammer oder einzelne Kammern gezeigt, in denen Brennstoffgas und Luft vorgemischt werden. Das Brennstoffgas 12, das beispielsweise Naturgas oder ein anderer Kohlenwasserstoffdampf sein kann, wird durch eine Brennstoffströmungssteuerung 14 an eine oder mehrere Brennstoffdüsen, wie beispielsweise 16 und 17, in Vormischkammern 10 bzw. 11 geliefert. Gemäß den eingangs genannten US- Patentschriften und EP-Patentanmeldungen können mehrere Vormischkammern vorhanden sein, die in Umfangsrichtung um das stromaufwärtige Ende des Brenners herum angeordnet sind. Es sind zwar in Figur 1 zwei Kammern 10 und 11 gezeigt, es kann aber jede geeignete Anzahl von Brennkammern verwendet werden. Für jede Vormischkammer wird eine einzelne achssymmetrische Brennstoffdüse 16 oder 17 verwendet. Luft wird durch eine oder mehrere Eintrittsöffnungen eingeführt, wie sie beispielsweise bei 18 gezeigt sind. Die Luft wird den Öffnungen 18 von dem Gasturbinenverdichter (nicht gezeigt) unter einem erhöhten Druck von fünf bis 15 Atmosphären zugeführt.
Der vorgemischte Brennstoff und die Luft werden dem Innenraum der Verbrennungskammer 22 durch eine Venturi-Einrichtung 24 zugeführt, die durch im Winkel angeordnete Wände 32 gebildet ist, die sich an der Engstelle oder dem verengten Hals 30 treffen. Die Brennkammer 22 hat eine im wesentlichen zylindrische Form um die Brenner-Mittellinie 26 und ist durch äußere Wände 28 und 29 umschlossen.
Die Venturi-Einrichtung 24 bewirkt, daß das Brennstoff/Luft-Gemisch, das sich in Richtung der Pfeile 31 und 33 stromabwärts bewegt, beschleunigt wird, wenn es durch den verengten Hals 30 zur Brennkammer 22 strömt.
Da sich die Venturi-Wand 32 neben der Brennkammer 22 befindet, ist es notwendig, die Wand mit auf die Rückseite aufprallender Luft zu kühlen, die entlang und durch den Durchlaß oder Kanal 36 strömt, der durch die Venturi-Wände 32 und im wesentlichen parallele Wände 33 begrenzt ist. Die Kühlluft 23 kann von dem Turbinenverdichter (nicht gezeigt) durch die Wand 33 an Einlässen 25 oder alternativ durch Jalousien in der Wand geliefert werden, wie es in der eingangs genannten US-Patentschrift 4292801 beschrieben ist. Das Kühlmedium kann auch Dampf oder Wasser gemischt mit der Luft sein oder enthalten.
Anordnungen, die die Kühlluft aus dem Kanal 36 der Venturi- Einrichtung 24 entleert haben, haben sich im Betrieb über einem breiten Temperaturbereich nicht als stabil erwiesen, wie es gewünscht wurde, und/oder haben nicht die gewünschten optimal geringen NOx Emissionen geliefert. Bei Untersuchungen während der Entwicklung eines verbesserten Brenners 20 mit geringen NOx wurde mit Strömungsvisualisierungstechniken auf einem Plexiglasmodell des Brenners voller Größe beobachtet, daß die Venturi-Kühlluft, die in die Verbrennungszone 22 entleert wird, weiterströmt, um die Strömung in den Ablösungsbereich oder die Zone neben der Venturi- Wand in der stromabwärtigen Fläche 37 "umzukehren". Die Ablösungszone ist charakterisiert durch eine Ablösung des größten Teils der Strömung von den Wänden 32 mit einer kleinen Menge an Luft, und durch verbrannten und unverbrannten Brennstoff, der in dem durch die Masseströmung und die Wände 32 begrenzten Bereich rezirkulieren. Die Ablösung der Masseströmung wird hervorgerufen durch den raschen Anstieg der geometrischen Fläche stromabwärts von dem Venturi-Hals 30. Die Bahn der Venturi-Kühlungs-Entleerungsströmung in einem Brenner, bei dem der stromabwärtige Ausgang 36 direkt mit dem Innenraum der Brennkammer 22 verbunden ist, wurde als die Rückwärtsströmung gefunden, die durch die gestrichelten Strömungslinien und Pfeile 42 gezeigt ist. Ein anschließender tatsächlicher "gefeuerter" Versuch von diesem trockenen System mit geringen NOx hat gezeigt, daß eine Verkleinerung der Menge an Venturi-Kühlluft, die in die abgelöste Zone eintritt, die Stabilität des Verbrennungsbetriebs mit vorgemischtem Brennstoff verbesserte.
Somit wurde nachgewiesen, daß die rückwärtsströmende Kühlluft die Stabilität von derartigen Venturi-Verbrennungssystemen nachteilig beeinflußt.
Bei weiteren Versuchen wurde gefunden, daß die Leistungsfähigkeit des Brenners stark und unerwartet verbessert werden konnte, indem eine gesteuerte Kühlluftströmungsentleerung stromabwärts von der Venturi-Wand 32 in Richtung auf die Verbrennungszone in dem Innenraum des Brenners geschaffen wurde, und weiterhin, daß dies durch relativ einfache Hardware erreicht werden konnte.
In Figur 1 ist der Ausgangskanal 36 mit dem Kanal 44 verbunden, der sich stromabwärts von den Ausgangskanal erstreckt und durch eine zylindrische Wand 46 gebildet ist, die konzentrisch mit und innerhalb der Brennerwand 28 ist, um dazwischen den Kanal zu bilden. Die Wand 46 ist, da sie sich ebenfalls benachbart zu der Brennkammer 22 befindet, mit einer gewissen Kühlung versehen, wie beispielsweise rückseitiger Prallluft, Filmluft oder Rippen, wie beispielsweise bei 48, um Wärme von der Wand abzuführen. Die Wand 46 kann die Brennermantelwand sein, die benachbart zu dem Verbrennungsprozeß ist. Die Länge 49 des Kanals 44 ist für jede Brennerkonstruktion optimiert, obwohl sie im allgemeinen etwa das 8 bis 10facher der radialen Breite des Venturi-Ausgangskanals 36 beträgt. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung war ein Brenner 20, der einen Innendurchmesser von 254mm (10 Zoll), einen Abstand 47 von 76,2mm (3 Zoll) axial von dem verengten Hals 30 der Venturi-Einrichtung 24 zu dem stromabwärtigen Ausgang 49 des Ausgangskanals 36 der Venturi-Einrichtung, einen Halsdurchmesser 30 von 178mm (7 Zoll) und eine axiale Länge 49 von 50,8mm (2 Zoll) des Kanals 44 aufwies, der durch die zylindrische Wand 46 und die Wand 28 gebildet ist. In anderen Ausführungsbeispielen wurde der Innendurchmesser des Brenners 20 von 254mm bis 356mm (10 bis 14 Zoll) verändert, der Abstand 47 wurde von 76,2 - 127mm (3 - 5 Zoll) verändert, der Durchmesser des Halses 30 wurde von 178 - 229mm (7 - 9 Zoll) verändert und die Länge des Kanals 44 wurde von 50,8 - 178mm (2 - 7 Zoll) verändert. Mit dieser Anordnung wurde gefunden, daß die Entleerungskühlluft 52 aus der Venturi- Einrichtung 24 meistens in der stromabwärtigen Strömung in der Brennkammer war, wie es durch die Pfeile 52 gezeigt ist, und es trat nur eine geringfügige Rückwärtsströmung 55 auf. Es wurde gefunden, daß dies für signifikante Vorteile sorgt, wie es nachfolgend näher beschrieben wird.
Es wurde jedoch vor dem tatsächlichen Brennerversuch und dem Strömungsvisualisierungsversuch auf einem Plexiglasmodell voller Größe angenommen, daß die Venturi-Kühlluftströmung durch den Kanal 44 zu der Verbrennungszone 58 entlang der Wand 28 austreten würde und daß sie nicht in ihrer Gesamtheit oder in ihrer wesentlichen Gesamtheit stromaufwärts entgegen der Strömung des Brennstoffgases und Luft in die Ablösungszone 54 strömen würde, wie es durch die Pfeile 42 angegeben ist. Im Gegensatz zu dieser vorherigen Annahme wird nun angenommen, daß die Niederdruckzone in dem abgelösten Bereich oder der abgelösten Zone 54 neben der stromabwärtigen Venturi-Wand 32 (aufgrund der eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Verbrennungsgase, die durch die verengten Strömungen des Venturi-Halses 30 hervorgerufen werden) die Venturi-Kühlluft, die an dem strömabwärtigen Rand des Kanals 36 entleert wurde, dazu anregt, rückwärts stromaufwärts in die Ablösungszone 54 zu strömen.
Der vorliegende Brenner schafft einen Kanal mit signifikanter und ausreichender Länge, um die Venturi-Kühlgasströmung weiter stromabwärts zu tragen. Es wird angenommen, daß die Kühlgasabgabe wenigstens jenseits des Mittelbereiches der Ablösungszone 54 sein sollte.
Bei nachfolgenden Versuchen mit einem vollen Druck aufweisenden, gefeuerten Verbrennungsgerät mit Kanälen unterschiedlicher Längen wurde gefunden, daß eine Steuerung der Menge an Kühlmittel, das in die Ablösungszone 54 eintritt, die Stabilität von einem vorgemischten Brennstoff/Luft- Brenner in signifikanter Weise verbessert. Die verbesserten Resultate enthielten eine signifikante Vergrößerung des Temperaturbereiches, über dem ein vorgemischter Betrieb möglich ist, und zusätzlich die Fähigkeit, den Brenner mit kleineren dynamischen Drucken des Verbrennungssystems zu betreiben. Aus Temperaturmessungen an einem mit vollem Druck arbeitenden, gefeuerten Verbrennungssystem ohne den Kanal 44 wird geschlossen, daß die Venturi-Kühlluft die Verbrennungsgase, die in die Ablösungszone 54 rezirkulieren, was eine Verkleinerung der Flammenhaltestabilität von diesem Bereich zur Folge hat, in signifikanter Weise abkühlen und verdünnen.
Figur 2 zeigt die Wirkungen der Veränderung der Länge 49 des Kanals 44. In Figur 2 sind die Brenner-Abgastemperaturen in ºC (ºF) auf der Y-Achse aufgetragen, und das Verhältnis der Länge/Breite des Kanals 44 ist auf der X-Achse aufgetragen. Der stabile Flammenbereich befindet sich oberhalb der entstehenden Kurve 57, während der zyklische oder instabile Flammenbereich unterhalb der Kurve liegt. Es sei darauf hingewiesen, daß eine Vergrößerung des Längen/Breiten-Verhältnisses den Bereich der Temperaturen verkleinert, an dem der Brenner 20 eine stabile Flamme liefert. Figur 2 zeigt, wie sch die Brenner-Abgastemperatur mit einer Änderung der Länge der Venturi-Luftabgabe 46 ändert, die unter Verwendung des Venturi-Durchmessers 30 dimensionslos gemacht ist. Unterhalb der Kurve beginnt der Brenner in einem zyklischen Modus zu arbeiten, wo die vorgemischte Verbrennung instabil ist. Unterhalb 871ºC (1600ºF) wird das vorgemischte Brennstoffgas und die Luft ausgeblasen. Wenn als Beispeil die dimensionslose Venturi- Luftgabelänge 0,25 beträgt, kann der trockene Brenner 20 mit geringen NOx stabil bei einer Abgastemperatur oberhalb 1037ºC (1900ºF) betrieben werden. Wenn weiterhin die Vollast-Betriebstemperatur 1049ºC (2100ºF) beträgt, dann kann der Brenner in dem vorgemischten Feuerungsmodus bei Teillastbedingungen entsprechend dem Abgastemperatur von über 1149ºC (2100ºF) auf weniger als 927ºC (1700ºF) abgesenkt werden kann. Diese Fähigkeit, eine stabile Verbrennung über einem weiten Bereich, einschließlich teiferen Temperaturen, beizubehalten, hat eine gewünschte Verkleinerung in den NOx und Kohlenstoffmonoxid (CO)-Emissionen erreicht.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Brenners aufgrund der Verbesserung in dem vorgemischten Betriebmodus des trocknen Brenners 22 mit geringen NOx sind: (1) größere Flexibilität im Bereich der Gasturbine aufgrund eines größeren Temperaturbereiches, einschließlich teiferer Temperaturen, über dem der Brenner stabil ist und in dem vorgemischten Modus gefeuert werden kann, (2) verkleinerte, daraus resultierende NOx Emissionen, (3) verkleinerte CO Emissionen, (4) erhöhte Brenner-Lebensdauer und Zeit zwischen Inspektionen aufgrund kleinerer dynamischer Systemdrucke und (5) Schaffung einer Einrichtung zum Einstellen des Brennerbetriebs derart, daß die Emissionen für eine gegebene nominale Betriebstemperatur des Brenners optimiert werden können.
Figur 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß Figur 3 ist die Länge des Kanals 44 einstellbar gemacht, um eine einstellbare Optimierung der vorliegenden Erfindung unter veränderlichen Betriebsbedingungen zu ermöglichen. Eine zylindrische Hülse 60 ist verschiebbar eng innerhalb des Kanals angebracht, um eine Einstellung der effektiven Länge des Kanals 44 zu ermöglichen. Aufgrund der hohen Temperaturen und der harten Umgebung des Innenraums des Brenners 20 können die meisten Installationen eine nicht-einstellbare Wand 46 aufweisen, die für optimale Betriebscharakteristiken ausgelegt ist. Der Einstellmechanismus, der schematisch als Steuerungen 62 gezeigt ist, kann irgendein geeigneter Typ für die Umgebung des Brenners 20 sein, wie beispielsweise ein Zahnstangenmechanismus oder einfach eine Bewegung der Hülse 60 durch die Steuerung 62, die sich in einem axialen Schlitz 64 in der Wand 28 bewegt, wobei die Steuerung 62 mit Gewinde versehene Befestigungsglieder aufweist, um die Hülse in der gewünschten Lage zu befestigen, indem die Befestigungsglieder fest in die Gewindelöcher 66 in der Hülse geschraubt werden.
Die Erfindung wurde zwar anhand gewisser bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben, es sei aber darauf hingewiesen, daß im Rahmen des Schutzumfanges der Erfindung zahlreiche Abänderungen in den Konstruktionsdetails, der Anordnung und Kombination von Teilen und der Art der verwendeten Materialien vorgenommen werden können.

Claims

1. Brenner mit trockenen, geringen Stickoxid (NOx) Emissionen, enthaltend:

eine Vormischkammer (10, 11) zum Mischen von Brennstoffgas und Luft,

eine Brennkammer (22), die stromabwärts von der Vormischkammer (10, 11) angeordnet ist für die Verbrennung des Gemisches von Brennstoffgas und Luft und im Betrieb eine Ablösungszone und eine Verbrennungszone stromabwärts von der Ablösungszone aufweist,

eine Venturi-Einrichtung (24), die zwischen der Vormischkammer (10, 11) und der Brennkammer (22) angeordnet ist und durch die hindurch das Gemisch von Brennstoffgas und Luft zur Brennkammer (22) strömt,

einen Kanal (36) für eine Kühlgasströmung, der sich axial entlang wenigstens einem Teil der stromabwärtigen Oberfläche (32) der Venturi-Einrichtung (24) in dem Bereich der Brennkammer (22) erstreckt,

wobei der Kanal (36) auf der Seite der Venturi- Einrichtung (24) angeordnet ist, die derjenigen gegenüberliegt, auf der das Gemisch von Brennstoffgas und Luft zur Brennkammer (22) strömt, und

der Kanal (36) sich stromabwärts in der Brennkammer (22) über den Mittelbereich der Ablösungszone (54) hinaus erstreckt,

wodurch der Brenner über einem großen Temperaturbereich betrieben werden kann, um die NOx Emissionen des Brenners zu verkleinern.

2. Brenner nach Anspruch 1, wobei die Venturi-Einrichtung (24) eine Verengung für die Strömung von Brennstoffgas und Luft aufweist und der Kanal (36) einen Ausgang stromabwärts von der Verengung neben dem Umfang der Brennkammer (22) aufweist.

3. Brenner nach Anspruch 2, wobei der stromabwärtige Ausgang des Kanals (36) durch einen zweiten Kanal (44) entlang dem Umfang der Verbrennungskammer gebildet ist, der den Ausgang der Venturi-Vorrichtung weiter stromabwärts verlängert, um eine wesentlich Rückströmung des Kühlfluids in die Ablösungszone zu verhindern.

4. Verfahren zum Zuführen von Brennstoff zu einem Gasturbinenbrenner mit einer Ablösungszone und einer Verbrennungszone mit geringen Stickoxid- und Kohlenstoffmonoxid- Emissionen, enthaltend: Mischen von Brennstoffgas und Luft in einem Vormischer; Hindurchleiten des Gemisches von Brennstoffgas und Luft nach dem Mischen durch eine Venturi- Verengung in dem Gasturbinenbrenner, um seine Strömung zu beschleunigen; Kühlen von wenigstens der Wand der Venturi- Verengung in dem Bereich der Verbrennungszone mit einem Kühlgas; Hindurchleiten des Kühlgases durch einen Kanal, der neben der Wand der Venturi-Verengung angeordnet ist und sich über den Mittelbereich der Ablösungszone hinaus erstreckt; und Zünden des Gemisches für eine Verbrennung innerhalb der Verbrennungszone des Brenners.

5. Verfahren zum Zuführen von Brennstoff zu einem Gasturbinenbrenner nach Anspruch 4, wobei in einem zusätzlichen Schritt die axiale Länge des Kanals eingestellt wird, um die Verbrennung des Gemisches bei einer abgesenkten Temperatur zu stabilisieren für eine Minimierung der Emission von Stickoxiden.

6. Verfahren zum Zuführen von Brennstoff zu einem Gasturbinenbrenner nach Anspruch 5, wobei Luft für das Kühlgas vorgesehen ist.

7. Verfahren zum Zuführen von Brennstoff zu einem Gasturbinenbrenner nach Anspruch 4, wobei die Außenwand des Brenners im wesentlichen zylindrisch ist und der Kanal dadurch gebildet wird, daß eine Wand in dem Brenner und im wesentlichen konzentrisch mit der Außenwand vorgesehen ist.

8. Verfahren zum Zuführen von Brennstoff zu einem Gasturbinenbrenner nach Anspruch 7, wobei die Lange des Kanals so eingestellt wird, daß sie wesentlich länger als der Abstand zwischen den Wänden ist.

9. Verfahren zum Zuführen von Brennstoff zu einem Gasturbinenbrenner nach Anspruch 8, wobei die Länge des Kanals so eingestellt wird, daß der stromabwärtige Ausgang des Kanals wenigstens in dem Mittelbereich der Ablösungszone angeordnet ist.