EP1344002A1 - Brenner mit gestufter brennstoff-eindüsung - Google Patents
Brenner mit gestufter brennstoff-eindüsungInfo
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- EP1344002A1 EP1344002A1 EP01970076A EP01970076A EP1344002A1 EP 1344002 A1 EP1344002 A1 EP 1344002A1 EP 01970076 A EP01970076 A EP 01970076A EP 01970076 A EP01970076 A EP 01970076A EP 1344002 A1 EP1344002 A1 EP 1344002A1
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- EP
- European Patent Office
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- burner
- fuel
- outlet openings
- combustion air
- swirl
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
- F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
- F23R3/04—Air inlet arrangements
- F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
- F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
Definitions
- the gas is injected through the outlet openings or holes transversely to the air inlet gap.
- This injection in conjunction with the swirl of the combustion air / fuel gas flow generated in the swirl chamber, leads to good mixing of the combustion or premixing gas with the combustion air. With such premix burners, thorough mixing is a prerequisite for low NO x values during the combustion process.
- a burner for a heat generator is known from EP 0 280 629 A2, which has an additional mixing section for further mixing of fuel and combustion air after the swirl generator.
- This mixing section can be designed, for example, as a downstream pipe into which the flow emerging from the swirl generator is transferred without any appreciable flow losses. With this additional mixing section, the degree of mixing can be increased further and the pollutant emissions reduced.
- Fig. 1 shows schematically an example of such burners in which the fuel over Outlet openings in supply channels arranged along the burner axis in the swirl body 1 are mixed with the incoming combustion air.
- the conical swirl body 1 of the burner is shown with the swirl chamber la enclosed by it, along which the fuel feeds with the outlet openings 2 - indicated in the figure by arrows for injected fuel - run.
- These fuel supply lines are generally designed as individual channels, which have a fixed distribution of the fuel outlet openings 2 along the burner axis.
- a piloting lance 5 can be seen in FIG. 1, via which the fuel is injected directly into the swirl chamber la when the burner starts up. When the load increases, there is a switch from this piloting stage to the premix mode, in which the fuel is mixed with the incoming combustion air via the fuel outlet openings 2 mentioned.
- a premix burner is known from WO 93/17279.
- a cylindrical swirl generator with an additional conical inner body is used.
- the premix gas is also injected into the swirl chamber via feeds with corresponding outlet openings, which are arranged along the axially extending air inlet slots.
- the pilot feed of this burner is provided at the end of the conical inner body.
- the piloting leads to increased NO x emissions, since in this mode of operation only insufficient mixing with the combustion air can take place.
- a single-stage supply of the fuel is provided in the premix mode.
- the size, distribution, arrangement, the distance and the number of outlet openings of the fuel supply along the burner axis must be optimized in order to meet the requirements for low emissions, the extinction limit, the recoil limit and the requirements for the stability of the combustion. It is almost impossible to meet all these requirements with a fixed distribution of the outlet openings even under changing operating and environmental conditions.
- Another disadvantage of the known methods for operating premix burners is that they are optimized for low emissions and low combustion oscillations under full load conditions. In order to start the burner and start the gas turbine, an additional piloting stage is required, which however increases the emission values significantly.
- a burner arrangement was proposed to solve this problem, in which the means for introducing fuel into the combustion air flow have at least a first fuel supply with a first group of fuel outlet openings for a first premixed fuel quantity and a second
- the extinguishing limit of a burner with a completely premixed fuel-air mixture has an extinguishing limit above 1600 K.
- Modern AAP gas turbines are operated at idle and at low load with a fuel-air mixture that has an adiabatic temperature of 900 during combustion up to 1600 Kelvin. It is therefore impossible to burn the fuel in the entire available combustion air, so that an enrichment of the core air in the burner by piloting in the area of the burner neck is necessary. This applies in particular to the above-mentioned burners of the prior art with single-stage fuel injection.
- the object of the present invention is to provide a burner which generates a small amount of pulsations even at lower combustion temperatures below 1600 K.
- the two groups of fuel outlet openings as well Inlet openings for combustion air, generally air inlet slots, are arranged along the swirl space formed by the swirl body, as is also the case with single-stage burner systems of the type mentioned at the beginning. This is absolutely necessary in order to inject the fuel into the combustion air entering through the inlet slots in order to achieve the best possible mixing in this way.
- the present burner is characterized in that in the transition area between the first group and the second group of fuel outlet openings, a separating element is arranged in the swirl chamber, which extends in the direction of the combustion chamber, and that the combustion air flow entering the area of the first group via the air inlet openings separates from the combustion air flow entering in the area of the second group of fuel outlet openings.
- This separation takes place here at least over a region of the swirl chamber, ie starting from the transition region in the direction of the combustion chamber into the region of the swirl chamber in which the second group of fuel outlet openings is arranged.
- the separating element can be constructed in one piece or in several parts. It is preferably composed of a partition wall surrounding the burner axis.
- the partition wall is designed to be tubular over at least a partial area, in adaptation to the geometric shape of the swirl generator.
- This partition or partition within the swirl space creates a separate volume, which is a type of reduced combustion chamber for forms the first stage, ie the fuel entering the swirl chamber via the first group of fuel outlet openings and the resulting fuel-air mixture.
- the first stage ie the fuel entering the swirl chamber via the first group of fuel outlet openings and the resulting fuel-air mixture.
- This configuration of the present burner results in a stronger pulsation even at low system loads, i.e. with low burner output and low overall adiabatic combustion temperatures.
- the inventors have recognized that the flame can operate relatively free axial pulsations during the operation of the first stage without such a separating element and that these pulsations are supported due to the cooling effect of the combustion air flowing in through the air inlet openings in the region of the second stage.
- Fig. 2 shows an example of an existing burner in a schematic representation.
- Fig. 1 shows a one-stage burner system, such as this is known from the prior art and has already been explained in the introduction to the description.
- a burner geometry is used, as it basically consists of the prior art mentioned at the outset, in particular from EP 0 321 809 B1.
- the burner consists of the swirl body 1, which comprises a swirl chamber la for mixing the fuel with the combustion air entering the swirl body 1 via air inlet slots (indicated by arrows).
- the swirl closes after the swirl chamber la
- the figure shows schematically the first group of fuel outlet openings 2a in the first fuel channel 4a and the second group of fuel outlet openings 2b in the second fuel channel 4b.
- outlet openings 2a, 2b are only shown schematically in the present example, the number, distribution and geometry of these outlet openings being adapted to the respective conditions.
- the feed line 6 of the fuel to the second stage 4b is guided along the outer wall of the swirl body 1.
- the feed for the first stage 4a is not explicitly shown in this example.
- a separating element 8 is provided which encloses the longitudinal axis 7 of the burner in the swirl chamber 1 a and is essentially cylindrical or cup-shaped. This separating element 8 separates the combustion air flow entering through the air inlet slots in the area of the first stage 4a from the combustion air flow which enters the outer zone of the swirl chamber la in the area of the second stage 4b. The flow of the incoming combustion air is through the two
- the separating element 8 forms a type of can open towards the combustion chamber 3.
- the fuel lance 5 is opposite in this example known arrangements extended and extends to about half the height in the volume formed by the separating element 8. This arrangement achieves a separation of the combustion air flow entering in the area of the two stages 4a and 4b, so that there is no interaction between the two flows.
- the separating element 8 does not extend to the edge of the swirl generator 1 on the combustion chamber side, but only over a partial area. At low load or low power of the
- the fuel is fed mainly through the fuel outlet openings 2a of the first stage 4a into the inner zone of the swirl chamber la, i.e. injected into the combustion air entering the swirl chamber in this area.
- This forms a combustion zone at the edge of the separating element 8 on the combustion chamber side, which is shown schematically in the figure with the reference number 9.
- This combustion of the fuel of the first stage 4a in the aforementioned mode of operation is not disturbed by the combustion air flow occurring in the region of the second stage 4b, since the flame root is located within the separating element. This significantly reduces possible pulsations of the combustion and improves the stability of the flame, in particular through the extended fuel lance 5, which generates a backwards facing step.
- Fuel is generated, still anchored to the flame 9 in or at the partition exit.
- the figure also clearly shows the cooling system for the separating element 8 in the form of cooling channels 11. These cooling channels 11 are connected to the combustion air entering the swirl generator 1 upstream of the second stage and have their outlet openings at the end of the walls of the separating element 8 on the combustion chamber side. The emerging combustion air is indicated in this area by the arrows.
- the present invention can also be applied to other burner geometries which are operated by at least two-stage injection of the fuel into the combustion air.
- the essential element here is the separating element, which separates the combustion air flow entering in the area of the two stages. This separation is necessary at least in a partial area of the swirl space.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner mit gestufter Brennstoff-Eindüsung, bei dem zumindest zwei getrennte Stufen (4a, 4b) zur Brennstoff-Eindüsung entlang des Drallkörpers (1) angeordnet sind. Der Brenner zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen erster und zweiter Stufe (4a, 4b) ein Trennelement (8) vorgesehen ist, das sich in Richtung der Brennkammer (3) erstreckt und die im Bereich der ersten Stufe (4a) eintretende Verbrennungsluftströmung von der im Bereich der zweiten Stufe (4b) eintretenden Verbrennungsluftströmung trennt. Der vorgeschlagene Brenner lässt sich auch bei niedrigen Brennerleistungen mit geringen Verbrennungspulsationen betreiben.
Description
Brenner mit gestufter Brennstoff-Eindusung
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner mit gestufter Brennstoff-Eindusung, der sich aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom und Mitteln zum Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungsluftström zusammensetzt, wobei die Mittel zum Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungs- luftstrom wenigstens eine erste BrennstoffZuführung mit einer ersten Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen und eine zweite BrennstoffZuführung mit einer zweiten Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen stromab der ersten Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen umfassen und die erste und zweite Gruppe von Brenn- stoff-Austrittsoffnungen sowie Eintrittsöffnungen für den Verbrennungsluftstrom entlang des durch den Drallerzeuger gebildeten Drallraums angeordnet sind. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für einen derartigen Brenner ist der Einsatz in der Dampf- und Gasturbinen- technik.
Stand der Technik
Aus der EP 0 321 809 Bl ist ein aus mehreren Schalen bestehender kegelförmiger Brenner, ein so genannter Doppelkegelbrenner bekannt. Durch den kegelförmigen aus mehreren Schalen zusammengesetzten Drallerzeuger, der einen Drallraum im Innern bildet, wird eine geschlossene Drallströmung im Kegelkopf erzeugt, welche aufgrund des zunehmenden Dralls entlang der Kegeispitze instabil wird und in eine annulare
Drallströmung mit Rückströmung im Kern übergeht. Die Schalen des Drallerzeugers sind derart zusammengesetzt, dass entlang der Brennerachse tangentiale Lufteintrittsschlitze für Verbrennungsluft gebildet werden. An der hierdurch entstehenden Einströmkante der Kegel- schalen sind Zuführungen für das Vormischgas, d.h. den gasförmigen Brennstoff, vorgesehen, die in Richtung der Brennerachse entlang des Drallraums verteilte Austrittsoffnungen für das Vormischgas aufweisen. Das Gas wird durch die Austrittsoffnungen bzw. Bohrungen quer zum Lufteintrittsspalt eingedüst . Diese Eindüsung führt in Verbindung mit dem im Drallraum erzeugten Drall der Verbrennungsluft -Brenngas-Strömung zu einer guten Durchmischung des Brenn- bzw. Vormischgases mit der Verbrennungsluft . Eine gute Durchmischung ist bei derartigen Vormischbrennern die Voraussetzung für niedrige NOx- erte beim Verbrennungsvorgang.
Zur weiteren Verbesserung eines derartigen Brenners ist aus der EP 0 280 629 A2 ein Brenner für einen Wärmeerzeuger bekannt, der im Anschluss an den Drallerzeuger eine zusätzliche Mischstrecke zur weiteren Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft aufweis . Diese Mischstrecke kann beispielsweise als nachgeschaltetes Rohr ausgeführt sein, in das die aus dem Drallerzeuger austretende Strömung ohne nennenswerte Strömungsverluste überführt wird. Durch diese zusätzliche Mischstrecke können der Vermischungs- grad weiter erhöht und damit die Schadstoffemissionen verringert werden.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel für derartige Brenner, bei denen der Brennstoff über
Austrittsoffnungen in entlang der Brennerachse im Drallkörper 1 angeordneten Zuführungskanälen mit der eintretenden Verbrennungsluft gemischt wird. In der Figur ist hierbei der kegelförmige Drallkörper 1 des Brenners mit dem von diesem umschlossenen Drallraum la dargestellt, entlang dem die BrennstoffZuführungen mit den Austrittsoffnungen 2 - in der Figur durch Pfeile für eingedüsten Brennstoff angedeutet - verlaufen. Diese BrennstoffZuführungen sind in der Regel als einzelne Kanäle ausgebildet, die eine feste Verteilung der Brennstoff-Austrittsoffnungen 2 entlang der Brennerachse aufweisen. Weiterhin ist in der Figur 1 eine Pilotierungslanze 5 zu erkennen, über die beim Anfahren des Brenners der Brennstoff direkt in den Drallraum la eingespritzt wird. Bei steigender Last erfolgt dann ein Umschalten von dieser Pilotierungs- stufe zum Vormisch-Betrieb, bei dem der Brennstoff über die genannten Brennstoff-Austrittsoffnungen 2 mit der zuströmenden Verbrennungsluft vermischt wird.
Eine weitere bekannte Brennergeometrie eines Vormisch-Brenners ist aus der WO 93/17279 bekannt. Bei dieser Anordnung wird ein zylindrischer Drallerzeuger mit einem zusätzlichen konischen Innenkörper einge- setzt. Das Vormischgas wird ebenfalls über Zuführungen mit entsprechenden Austrittsoffnungen in den Drallraum eingedüst, die entlang der axial verlaufenden Luft- eintrittsschlitze angeordnet sind. Die Pilotierungs- zuführung dieses Brenners ist am Ende des konischen Innenkörpers vorgesehen. Die Pilotierung führt jedoch zu erhöhten NOx-Emissionen, da bei dieser Betriebsweise nur eine unzureichende Vermischung mit der Verbrennungsluft stattfinden kann.
Bei allen bekannten Brennersystemen ist eine einstufige Zuführung des Brennstoffes im Vormisch- betrieb vorgesehen. Die Größe, Verteilung, Anordnung, der Abstand sowie die Anzahl der Austrittsoffnungen der BrennstoffZuführung entlang der Brennerachse müssen hierbei optimiert werden, um die Anforderungen an geringe Emissionen, die Extinktionsgrenze, die Rύckschlaggrenze sowie die Anforderungen an die Stabilität der Verbrennung zu erfüllen. Hierbei ist es nahezu unmöglich, alle diese Anforderungen mit einer festen Verteilung der Austrittsoffnungen auch unter wechselnden Betriebs- und Umgebungsbedingungen zu erfüllen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren zum Betrieb von Vormisch-Brennern liegt darin, dass diese für niedrige Emissionen und niedrige Verbrennungs- oszillationen unter Volllastbedingungen optimiert sind. Um den Brenner anzufahren und die Gasturbine zu starten, wird eine zusätzliche Pilotierungsstufe benötigt, die jedoch die Emissionswerte deutlich ansteigen lässt.
In einer parallelen Patentanmeldung der Anmelderin wurde zur Lösung dieser Problematik eine Brenneranordnung vorgeschlagen, bei der die Mittel zum Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungsluftström wenigstens eine erste BrennstoffZuführung mit einer ersten Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen für eine erste Vormisch-Brennstoffmenge und eine zweite
BrennstoffZuführung mit einer zweiten Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen stromab der ersten Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen für eine zweite
Vormisch-Brennstoffmenge umfassen. Die Brennstoff- Zuführungen mit den Brennstof -Austrittsoffnungen sind hierbei am Drallkörper entlang des Drallraums in Längsrichtung des Brenners angeordnet und in zumindest zwei voneinander unabhängige Kanäle für den Brennstoff unterteilt. Durch den Einsatz eines derartigen Brennersystems mit gestufter Brennstoff-Eindusung wird ein gegenüber einstufigen Brennersystemen deutlich erweiterter Betriebsbereich ermöglicht. Insbesondere kann die Betriebsweise des Brenners hinsichtlich der Emissionen optimal an die jeweilige Betriebslast angepasst werden. Weiterhin ist eine BrennstoffZuführung über die Pilotierungslanze nicht mehr erforderlich, da der alleinige Betrieb mit Brennstoff- Austrittsoffnungen der ersten Stufe (z.B. 2a in Fig. 2) ausreichend hohe lokale Temperaturen auf der Brennerachse hervorruft, während die gesamtadiabatische Temperatur weiterhin niedrig ist .
Die Löschgrenze eines Brenners mit einem vollständig vorgemischten Brennstoff-Luft -Gemisch hat eine Löschgrenze oberhalb von 1600 K. Moderne AAP- Gasturbinen werden im Leerlauf und bei niedriger Last mit einem Brennstoff-Luf -Gemisch betrieben, das bei der Verbrennung eine adiabatische Temperatur von 900 bis 1600 Kelvin erzeugt. Es ist daher unmöglich, den Brennstoff in der gesamten verfügbaren Verbrennungsluft zu verbrennen, so dass eine Anreicherung der Kernluft im Brenner durch Pilotierung im Bereich des Brennerhalses erforderlich ist. Dies betrifft insbesondere die oben genannten Brenner des Standes der Technik mit einstufiger Brennstoff-Eindusung.
Die von der Anmelderin entwickelten Brenner mit mehrstufiger Brennstoff-Eindusung durch Aufteilung der BrennstoffZuführungen in zwei getrennte Bereiche zeigen insbesondere eine Verringerung der NOχ-Emissionen und der Stärke der Verbrennungspulsationen bei höheren Flammentemperaturen oberhalb von 1650 K. Das Problem der Pulsationen tritt jedoch noch immer bei Temperaturen unterhalb von 1500 K auf, wenn die erste Stufe im Wesentlichen alleine betrieben wird und somit eine Funktion ähnlich einer Pilotierungsstufe erfüllt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Brenner bereitzustellen, der auch bei niedrigeren Verbrennungstemperaturen unterhalb von 1600 K ein geringes Maß an Pulsationen erzeugt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Brenner gemäß Patentanspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Brenners sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der vorliegende Brenner mit gestufter Brennstoff- Eindusung setzt sich im Wesentlichen aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluf ström und Mitteln zum Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungsluft- strom zusammen. Die Mittel zum Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom umfassen wenigstens eine erste BrennstoffZuführung mit einer ersten Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen und eine zweite BrennstoffZuführung mit einer zweiten Gruppe von
Brennstoff-Austrittsoffnungen abgesetzt von der ersten Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen. Die beiden Gruppen von Brennstoff-Austrittsoffnungen sowie
Eintrittsöffnungen für Verbrennungsluft, in der Regel Lufteintrittsschlitze, sind hierbei entlang des durch den Drallkörper gebildeten Drallraums angeordnet, wie dies auch bei einstufigen Brennersystemen der eingangs genannten Art der Fall ist. Dies ist zwangsläufig erforderlich, um den Brennstoff in die durch die Eintrittsschlitze eintretende Verbrennungsluft einzu- düsen, um auf diese Weise eine möglichst gute Vermischung zu erreichen. Der vorliegende Brenner zeichnet sich dadurch aus, dass im Übergangsbereich zwischen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen ein Trennelement im Drallraum angeordnet ist, das sich in Richtung der Brennkammer erstreckt und das den im Bereich der ersten Gruppe über die Lufteintrittsöffnungen eintretenden Verbrennungsluftstrom von dem im Bereich der zweiten Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen eintretenden Verbrennungsluftstrom trennt. Diese Trennung erfolgt hierbei zumindest über einen Bereich des Drallraums, d.h. ausgehend vom Übergangsbereich in Richtung der Brennkammer bis in den Bereich des Drallraums hinein, in dem die zweite Gruppe von Brennstoff-Austritts- öffnungen angeordnet ist .
Das Trennelement kann sowohl einstückig als auch mehrteilig aufgebaut sein. Es setzt sich vorzugsweise aus einer die Brennerachse umschließenden Trennwand zusammen. Die Trennwand ist hierbei in Anpassung an die geometrische Form des Drallerzeugers vorzugsweise über zumindest einen Teilbereich rohrförmig ausgebildet.
Durch dieses Trennelement bzw. diese Trennwand innerhalb des Drallraums wird ein gesondertes Volumen geschaffen, das eine Art verkleinerter Brennkammer für
die erste Stufe, d.h. den über die erste Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen in den Drallraum eintretenden Brennstoff und das daraus resultierende Brennstoff-Luft-Gemisch, bildet. Bei einer Betriebsweise des Brenners, bei der im Wesentlichen der Brennstoff durch diese erste Stufe zugeführt wird, wie dies zum Anfahren, im Leerlaufbetrieb und bei niedriger Last der durch den Brenner betriebenen Anlage, insbesondere einer Gasturbine, in Art einer Pilotierung der Fall ist, wird die Flamme bereits innerhalb des durch das Trennelement gebildeten Volumens erzeugt .
Durch diese Ausgestaltung des vorliegenden Brenners wird eine stärkere Pulsation auch bei niedriger Last der Anlage, d.h. bei niedriger Brennerleistung und niedrigen gesamt adiabaten Verbrennungstemperaturen ermöglicht . Die Erfinder haben hierbei erkannt, dass die Flamme beim Betrieb der ersten Stufe ohne ein derartiges Trennelement einerseits relativ freie axiale Pulsationen ausführen kann und andererseits diese Pulsationen aufgrund des Kühlungseffektes der im Bereich der zweiten Stufe durch die Lufteintrittsöffnungen einströmenden Verbrennungsluft unterstützt werden. Durch die
Einfügung des Trennelementes zwischen den Luftströmen, die im Bereich der ersten Stufe in den Drallraum einströmen und den Luftströmen, die im Bereich der zweiten Stufe einströmen, kann eine Wechselwirkung zwischen diesen bei niedriger Brennerleistung verhindert werden. Dies wiederum führt in vorteilhafter Weise zu einer Verringerung der Verbrennungspulsationen .
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der vorliegende Brenner wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 einen einstufigen Brenner gemäß dem Stan der Technik; und
Fig. 2 ein Beispiel für einen vorliegenden Brenner in schematischer Darstellung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein einstufiges Brennersystem, wie
dies aus dem Stand der Technik bekannt ist und in der Beschreibungseinleitung bereits erläutert wurde.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Brennergeometrie eingesetzt, wie sie prinzipiell aus
dem eingangs genannten Stand der Technik, insbesondere aus der EP 0 321 809 Bl bekannt ist. Der Brenner besteht aus dem Drallkörper 1, der einen Drallraum la zur Vermischung des Brennstoffes mit der über Luft- eintrittsschlitze im Drallkörper 1 eintretende Verbrennungsluft (durch Pfeile angedeutet) umfasst. Im Anschluss an den Drallraum la schließt sich die Br mme
In der Figur ist hierbei schematisch die erste Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen 2a im ersten Brennstoffkanal 4a sowie die zweite Gruppe von Brennstoff- Austrittsöffnungen 2b im zweiten Brennstoffkanal 4b zu erkennen.
Selbstverständlich sind diese Austrittsoffnungen 2a, 2b im vorliegenden Beispiel nur schematisch dargestellt, wobei die Anzahl, Verteilung und Geometrie dieser Austrittsoffnungen an die jeweiligen Bedingungen angepasst ist.
Die Zufύhrungsleitung 6 des Brennstoffes zur zweiten Stufe 4b wird in diesem Beispiel an der Aussenwandung des Drallkörpers 1 entlanggeführt. Die Zuführung für die erste Stufe 4a ist in diesem Beispiel nicht explizit gezeigt.
Im zentralen Bereich des Drallerzeugers 1 ist eine Brennstofflanze 5 zu erkennen, die auf der Längsachse 7 des Brenners verläuft . Bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brenners ist ein Trennelement 8 vorgesehen, dass die Längsachse 7 des Brenners im Drallraum la umschließt und im Wesentlichen zylinder- bzw. topfförmig ausgebildet ist. Dieses Trennelement 8 trennt die durch die Lufteintrittsschlitze im Bereich der ersten Stufe 4a eintretende Verbrennungsluft- strömung von der Verbrennungsluftströmung, die im Bereich der zweiten Stufe 4b in die äußere Zone des Drallraums la eintritt . Der Strömungsverlauf der eintretenden Verbrennungsluft ist durch die beiden
Pfeile erkennbar. Das Trennelement 8 bildet hierbei eine Art von zur Brennkammer 3 hin offene Dose . Die Brennstofflanze 5 ist in diesem Beispiel gegenüber
bekannten Anordnungen verlängert und erstreckt sich bis etwa auf halbe Höhe in das durch das Trennelement 8 gebildete Volumen. Durch diese Anordnung wird eine Trennung der im Bereich der beiden Stufen 4a und 4b eintretenden Verbrennungsluftströmung erreicht, so dass zwischen beiden Strömungen keine Wechselwirkung stattfindet. Das Trennelement 8 erstreckt sich hierbei nicht bis an den brennkammerseitigen Rand des Drallerzeugers 1, sondern nur über einen Teilbereich. Bei niedriger Last bzw. geringer Leistung des
Brenners wird der Brennstoff hauptsächlich durch die Brennstoff-Austrittsoffnungen 2a der ersten Stufe 4a in die innere Zone des Drallraums la, d.h. in die in den Drallraum in diesem Bereich eintretende Verbrennungs- luft, eingedüst. Hierdurch bildet sich eine Verbrennungszone am brennkammerseitigen Rand des Trennelementes 8, die mit dem Bezugszeichen 9 in der Figur schematisch dargestellt ist. Diese Verbrennung des Brennstoffes der ersten Stufe 4a in der genannten Betriebsweise wird nicht durch die im Bereich der zweiten Stufe 4b eintretende Verbrennungsluftströmung gestört, da sich die Flammenwurzel innerhalb des Trennelementes befindet. Mögliche Pulsationen der Verbrennung werden hierdurch deutlich vermindert und die Stabilität der Flamme insbesondere durch die verlängerte Brennstofflanze 5 verbessert, die einen Stufensprung (backwards facing step) erzeugt.
Hierbei ist nicht beabsichtigt, gasförmigen Brennstoff über die Lanze einzubringen. Die beiden in Figur 2 in der Lanze erkennbaren Kanäle sind für
Lanzen-Kühlluft und die Möglichkeit des Einbringens von flüssigem Brennstoff für einen Doppel-Brennstoff- Betrieb über die zental angeordnete Flachstrahldüse.
Bei höherer Brennerleistung werden zusätzlich durch die zweite Stufe 4b größere Brennstoffmengen eingedüst, wodurch sich am Ende die Verbrennungszone in den mit dem Bezugszeichen 10 schematisch angedeuteten Bereich verlagert. Bei den in dieser Betriebsweise bereits auftretenden höheren Verbrennungstemperaturen tritt die Problematik der Pulsationen nicht mehr in dem bei niedrigen Leistungen vorliegenden Maße auf. Durch die Trennwand ist auch die Flammenwurzel der Flamme, die durch den über die zweite Stufe 4b eingebrachten
Brennstoff erzeugt wird, immer noch mit der Flamme 9 im bzw. am Trennwandaustritt verankert.
In der Figur ist auch sehr gut das Kühlungssystem für das Trennelement 8 in Form von Kühlkanälen 11 zu erkennen. Diese Kühlkanäle 11 sind mit der in den Drallerzeuger 1 stromauf der zweiten Stufe eintretenden Verbrennungsluft verbunden und haben ihre Austritts- öffnungen an dem brennkammerseitigen Ende der Wände des Trennelementes 8. Die austretende Verbrennungsluft ist in diesem Bereich durch die Pfeile angedeutet .
Es versteht sich von selbst, dass die vorliegende Erfindung auch auf andere Brennergeometrien anwendbar ist, die über eine zumindest zweistufige Eindüsung des Brennstoffes in die Verbrennungsluft betrieben werden. Das wesentliche Element ist hierbei das Trennelement, das die im Bereich der beiden Stufen eintretende Verbrennungsluftströmung voneinander trennt. Diese Trennung ist zumindest in einem Teilbereich des Drall- raums erforderlich.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Drallerzeuger la Drallraum
2 Brennstoff-Austrittsoffnungen
2a Brennstoff-Austrittsoffnungen der ersten Stufe
2b Brennstoff-Austrittsoffnungen der zweiten Stufe
3 Brennkammer
4a BrennstoffZuführung der ersten Stufe
4a BrennstoffZuführung der zweiten Stufe
5 Brennstofflanze
6 Brennstoffleitung
7 Längsachse des Brenners
8 Trennelement
9 Verbrennungszone 1 0 Verbrennungszone 2 1 Kühlkanäle
Claims
1. Brenner mit gestufter Brennstoff-Eindusung, im
Wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (1) für einen Verbrennungsluftstrom und Mitteln zum Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungsluftström, wobei die Mittel zum Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom wenigstens eine erste BrennstoffZuführung (4a) mit einer ersten Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen (2a) und eine zweite BrennstoffZuführung (4b) mit einer zweiten Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen (2b) stromab der ersten Gruppe von Brennstoff- Austrittsöffnungen (2a) umfassen, und die erste und zweite Gruppe von Brennstoff-Austritts- öffnungen (2a, 2b) sowie Bintrittsöffnungen für den Verbrennungsluftstrom entlang eines durch den Drallerzeuger (1) gebildeten Drallraums (la) angeordnet sind, und wobei im Übergangsbereich zwischen der ersten und der zweiten Gruppe von Brennstoff-Austritts- öff ungen (2a, 2b) ein Trennelement (8) im Drallraum (la) angeordnet ist, das einen im Bereich der ersten Gruppe von Brennstoff- Austrittsoffnungen (2a) in den Drallraum (la) eintretenden ersten Verbrennungsluftstrom zumindest über einen Abschnitt einer Längsachse (7) des Brenners von einem im Bereich der zweiten Gruppe von Brennstoff-Austrittsoffnungen (2b) in den Drallraum (la) einströmenden zweiten Verbrennungsluftström trennt.
2. Brenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (8) durch ein oder mehrere Trennwände gebildet wird, die die Längsachse (7) des Brenners umschließen.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (8) im Wesentlichen rohr- bzw. topfförmig ausgebildet ist.
4. Brennersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (8) mit Kühlkanälen (11) durchsetzt ist.
5. Brennersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (11) Austrittsoffnungen zur Brennkammer (3) hin aufweisen.
6. Brennersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner eine zentrale Brennstofflanze (5) aufweist, die sich bis in das durch das Trennelement (8) gebildete Volumen erstreckt.
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