DE19615910B4

DE19615910B4 - Brenneranordnung

Info

Publication number: DE19615910B4
Application number: DE19615910A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dr. Kiesow
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-04-22
Filing date: 1996-04-22
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: US5983643A; DE19615910A1

Abstract

Brenneranordnung einer Brennkammer (5), insbesondere für eine Gasturbine, wobei mindestens zwei Brennergruppen (13.1, 13.2), bestehend aus jeweils mindestens einem Brenner (13) gleicher Grösse und Geometrie zur Bestückung der Brennkammer (5) vorgesehen sind und mindestens eine Brennergruppe den/die Hauptbrenner (13.1) darstellt, wobei der/die Hauptbrenner (13.1) eine homogene Flammenscheibe in der Brennkammer (5) erzeugt/erzeugen, und die andere Brennergruppe als Störbrenner (13.2) die Homogenität der Flammenscheibe in der Brennkammer (5) stört, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Störbrenner (13.2) im Vergleich zu dem/den Hauptbrenner(n) (13.1) in der Brennkammer (5) geneigt angeordnet ist/sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft eine Brenneranordnung einer Brennkammer, insbesondere Gasturbinenbrennkammer, die sowohl für Vormischbrenner, als auch für teilvorgemischte Brenner und für Diffusionsbrenner angewendet werden kann.

Bekannt sind Brenneranordnungen von Gasturbinenbrennkammern, bei denen die Brenner alle gleich orientiert und symmetrisch verteilt um die Brennkammerachse angeordnet sind. Die Brennerachse ist dabei meist parallel zur Brennkammerachse bzw. zur Mittelschnittebene bei Ringbrennkammmern angeordnet, aber es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen die Brennerachse und die Brennkammerachse zueinander geneigt sind. Im allgemeinen ist die Strömungsrichtung der Brenner axial mit einer leicht radialen Komponente.

Zur Erzeugung eines zusätzlichen Dralles in der Brennkammer sind auch tangential geneigte Brenneranordnungen bekannt.

Allen Ausführungen ist eine regelmässige Anordnung der Brenner bzw. bei Ringbrennkammern eine regelmässige Anordnung zumindestens aller Brenner eines Ringes gemeinsam.

Diese Anordnung wird gewählt, um eine möglichst homogene Verteilung der Brenngase schon in der primären Verbrennungszone zu erzielen, was zu einer homogenen Austrittsverteilung der Brennkammerabgase führt. Allerdings müssen hierdurch auch Nachteile in Kauf genommen werden.

Insbesondere bei vorgemischten Brennern neigt eine homogene Reaktionszone, d.h. homogene "Flammenscheibe" zu unerwünschten Druckpulsationen. Da der Abstand der Brenner zur Verbrennungszone gleich ist, haben alle Brenner dieselbe Zeitkonstante. Tritt nun eine durch Turbulenz immer vorhandene leichte Störung auf, so antworten alle Brenner mit Umsatzschwankungen. Erfolgen diese Schwankungen wiederum im geeigneten Zeitpunkt, so kann sich eine Pulsation mit für die Maschine schädlichen Amplituden aufschaukeln.

Die Anregung der Druckpulsationen kann auch über andere Mechanismen bewirkt werden, beispielsweise periodische Ablösungen, Entropiewellen u.a. mehr.

Ein weiterer Nachteil einer solchen regelmässigen Anordnung der Brenner besteht darin, dass die Querzündung von Brenner zu Brenner erschwert ist, denn die Querzündung wird in diesem Falle lediglich durch drallinduzierte Querströmung bewirkt.

Aus EP 0 655 581 A1 ist ein Brenner mit mindestens einem ersten Hohlorgan, in dem gasförmiges Oxydationsmittel entlangströmt und mindestens einem zweiten Hohlorgan zur Eindüsung vom Brennstoff in die Oxydationsmittelströmung bekannt, bei dem die Mündungen der zweiten Hohlorgane asymmetrisch in Beziehung zum ersten Hohlorgan angeordnet sind, dergestalt, dass die Mischzone stromaufwärts der Flamme ein Gebiet enthält, bei welchem das Verhältnis von Brennstoff zum Oxyda tionsmittel einen unterstöchiometrischen Wert aufweist. Es können auch verschiedene Organe, beispielsweise Rohre, mit unterschiedlichen Querschnitten asymmetrisch im ersten Hohlorgan angeordnet sein. Mit dieser Anordnung werden einerseits die Brennkammerleistung erhöht und andererseits sollen die NOx-Emissionen verringert werden. Die vorgeschlagene Lösung beruht darauf, dass am Brenneraustritt keine homogene Mischung vorliegt, sondern Bereiche mit höherer bzw. niedrigerer Brennstoffkonzentration als im Mittel. Sollen jedoch wesentlich geringere NOx-Emissionen erzielt werden, so muss das Luft/Brennstoff-Gemisch vollständig gemischt sein, d.h. dass die in EP 0 655 581 A1 vorgestellte Lösung nicht anwendbar ist.

Weiterhin ist der Anmelderin ein Verfahren zum Betrieb einer mit Vormischbrennern bestückten Brennkammer bekannt, die mit gegeneinander verstimmten, in Geometrie und Grösse gleich ausgebildeten Brennern ausgerüstete ist. Diese Brenner werden mit unterschiedlichen Luftzahlen λ betrieben und haben daher unterschiedliche Flammentemperaturen. Das führt zu einer Erweiterung des Operationsgebietes der Brennkammer, indem ein stabiler Betrieb der Brennkammer auch im niedrigen Lastbereich ohne Stufung der Brenner möglich ist. Nachteilig ist, dass ein gewisser Anstieg der NOx-Emissionen in Kauf genommen werden muss.

Eine weitere Möglichkeit, die Brenner zu verstimmen, ist aus EP 0 686 812 A1 bekannt. Dort wird ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners für eine Gasturbine offenbart, bei dem der Brennstoff an axial unterschiedlichen Stellen entlang des Brenners, z.B. schon vor der Drallbeschaufelung, eingebracht und die Strömung des Brennstoffes zu einer stromabwärtigen Verbrennungszone kontrolliert wird, um eine asymmetrische Strömung des Brennstoffes über den Brenner zu erreichen. Dies führt ebenfalls zu einer Erweiterung des Operationsgebietes des Brenners, da im niedrigen Lastbereich hohe akustische Geräusche und Resonanzen (Druckpulsationen) vermieden werden und eine Reduktion des dynamischen Druckverlustes ohne Anstieg der NOx-Emissionen erreicht wird. Die Eindüsung von Gas vor der Drallbeschaufelung erzeugt aber hier ein brennbares Gemisch vor den Drallerzeugern. Erfahrungsgemäss neigen derartige Anordnungen zu Flammenrückschlag mit der Gefahr des Abbrandes der Schaufeln. Nachteilig ist ausserdem die sehr komplex aufgebaute Brennstoffzuführung.

Aus EP 0 445 652 A1 und aus EP 0 576 697 A1 sind Brenneranordnungen bekannt mit mindestens zwei Brennergruppen, bei denen die Störbrenner geneigt angeordnet sind, wobei sich diese in der Form und Grösse sowie in der Brennerart von den Hauptbrennern unterscheiden. DE 43 36 096 a1 und US 5 127 221 offenbaren Brenneranordnungen mit verschiedenen Brennergruppen, welche axial verschoben sind und in einem symmetrischen Muster in der Brennkammer angeordnet sind.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brenneranordnung, insbesondere für Gasturbinenbrennkammern zu entwickeln, mit der die Brennkammerleistung gezielt beeinflusst werden kann und bei der Druckpulsationen, die durch unterschiedliche Ursachen hervorgerufen werden können, vermieden werden.

Erfindungsgemäss wird dies bei einer Brenneranordnung gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch erreicht, dass der/die Störbrenner im Vergleich zu dem/den Hauptbrenner(n) in der Brennkammer geneigt angeordnet ist/sind. Erfindungsgemäss wird dies auch dadurch erreicht, dass der/die Störbrenner im Vergleich zu dem/den Hauptbrenner(n) in der Brennkammer axial verschoben in einem unsymmetrischen Muster angeordnet ist/sind.

Durch diese erfindungsgemässe Brenneranordnung in einer Silo- bzw. Rohrbrennkammer oder Ringbrennkammer wird die Symmetrie bzw. Homogenität der Flammenscheibe gestört. Die Vorteile der Erfindung bestehen zusätzlich darin, dass durch die Neigung der Störbrenner eine Querströmung entsteht, die die Querzündung der Brenner wesentlich erleichtert, so dass der Stabilitätsbereich der Brenner in Richtung niedrigerer Lasten verschoben wird. Ausserdem wirken die Störbrenner auch schwingungsdämpfend.

Es ist besonders zweckmässig, wenn der/die Störbrenner in Umfangsrichtung geneigt angeordnet ist/sind.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der/die Störbrenner in radialer Richtung geneigt angeordnet ist/sind, d.h. es sind Winkelabweichungen zur Brennkammerachse bzw. zur Brennkammermittelschnittsebene vorgesehen. Dabei wird eine solche Neigung des/der Brenner bevorzugt, bei der der/die Brenner nicht auf die Brennkammerwand feuert/feuern, sondern die Brennermündung/Brennermündungen vom nächstliegenden Teil der Brennkammerwand weggerichtet ist/sind. Das hat den Vorteil, dass die Wand nicht zu stark thermisch belastet wird.

Schliesslich wird mit Vorteil eine Brenneranordnung gewählt, bei der Haupt- und Störbrenner in unsymmetrischen Mustern in der Brennkammer angeordnet sind. Unerwünschte Druckpulsationen können so am einfachsten unterbunden werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
1 einen Teillängsschnitt einer Gasturbine mit einer Silobrennkammer mit axial verschobenen und in einem unsymmetrischen Muster angeordneten Störbrennern;
2 einen Teillängsschnitt einer Gasturbine mit einer mit Vormischbrennern bestückten Ringbrennkammer, wobei die Störbrenner im Vergleich zu den Hauptbrennern axial verschoben und in einem unsymmetrischen Muster angeordnet sind;
3 eine Abwicklung einer Ringbrennkammer in der Ebene einer Brennerreihe, wobei der Störbrenner im Vergleich zu den Hauptbrennern geneigt angeordnet ist;
4 eine andere Ausführungsvariante zu 3;
5 einen schematischen Querschnitt einer Ringbrennkammer mit Haupt- und Störbrennern, wobei diese in einem unsymmetrischen Muster angeordnet sind.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der 1 bis 5 näher erläutert.
1 zeigt in einem Teillängsschnitt eine Gasturbinenanlage. In einem Gehäuse 1 sind auf einer gemeinsamen Welle 2 ein Verdichter 3 und eine Turbine 4 angeordnet. Von einer auf das Turbinengehäuse 1 aufgesetzten Silobrennkammer 5 stellt ein Heissgasgehäuse 6 die Verbindung mit dem Turbineintritt 7 her. Vom Verdichter 3 gelangt komprimierte Luft durch einen Luftkanal 8 in einen vom Turbinengehäuse 1 umschlossenen Zwischenraum 9, von dem ein Teil der Luft als Primärluft über einen Verbrennungslufteintritt 10 in den Brennraum 11 der Brennkammer 5 gelangt, während ein anderer Teil der Luft über Mischluftdüsen 12 als Sekundärluft dem Heissgas im Brennraum 11 beigemischt wird. Über die schematisch dargestellten Brenner 13 wird der Brennkammer 5 Brennstoff zugeführt, welcher mit der in die Brennkammer 5 gelangenden Luft zu Heissgas verbrennt. Die Heissgase aus der Silobrennkammer 5 gelangen in Pfeilrichtung durch den Turbineneintritt 7 in die Turbine 4, expandieren darin und verlassen die Turbine 4 durch einen Abgasstutzen 14.
Die Brennkammer 5 ist mit mehreren Brennern 13 bestückt. Die Brenner 13 sind in diesem Ausführungsbeispiel Diffusionsbrenner, die in zwei Brennergruppen aufgeteilt sind, und zwar in die Hauptbrennerguppe 13.1 und in die Störbrennergruppe 13.2. Die beiden Brennergruppen 13.1 und 13.2 werden von Brennern gleicher Geometrie und gleicher Grösse gebildet, wobei erfindungsgemäss die Hauptbrenner, d.h. die Brenner der Brennergruppe 13.1, einen Verbund mit gleichem axialen Abstand l₁ von der Wellenachse 15 bilden, während die Störbrenner, d.h. die Brenner der Brennergruppe 13.2, einen anderen axialen Abstand l₂ von der Wellenachse 15 aufweisen und in einem unsymmetrischen Muster in der Brennkammer angeordnet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der axiale Abstand aller Störbrenner 13.2 von der Wellenachse 15 konstant. Selbstverständlich können in anderen Ausführungsbeispielen die Abstände 12 auch innerhalb der Störbrennergruppe 13.2 variieren. Wichtig ist nur, dass die Störbrenner 13.2 den symmetrischen Verbund der Hauptbrenner 13.1 stören und dadurch Inhomogenitäten in der Flammenscheibe erzeugen, so dass sich z.B. Pulsationen im Brenner nicht zu schädlichen Amplituden aufschaukeln können, sondern gedämpft werden.
2 zeigt einen Teillängsschnitt einer Gasturbine mit einer mit Vormischbrennern 13 bestückten Ringbrennkammer 5. Die Brenner 13 sind in diesem Ausführungsbeispiel Vormischbrenner der Doppelkegelbauart, welche beispielsweise in EP 0 321 809 B1 beschrieben ist.
In einem Gehäuse 1 sind auf einer gemeinsamen Welle 2 ein Verdichter 3 und eine Turbine 4 angeordnet. Zwischen dem Verdichter 3 und der Turbine 4 befindet sich eine Ringbrennkammer 5, die über den Turbineneintritt 7 mit der Turbine 4 verbunden ist, von der nur eine Leitschaufel der ersten Leitschaufelreihe dargestellt ist. Vom Verdichter 3, von dem in 2 nur die letzten Verdichterstufen dargestellt sind, gelangt komprimierte Luft durch einen Luftkanal 8, der als Umlenkdiffusor ausgebildet ist, in ein zwischen Verdichter 3 und Ringbrennkammer 5 angeordnetes Plenum 16. Vom Plenum 16 aus strömt die Verbrennungsluft über tangentiale Lufteintrittsschlitze in die Brenner 13.1 und 13.2 und mischt sich im Innenraum der Brenner mit dem über Brennstofflanzen 17 eingebrachten Brennstoff. Das Gemisch zündet erst am stromabwärtigen Ende der Brenner. Die Flamme wird durch eine Rezirkulationszone 18 stabilisiert. Die Heissgase werden am stromabwärtigen Ende der Brennkammer 5 beschleunigt, strömen über den Turbineneintritt 7 in die Turbine 4, expandieren darin und verlassen die Turbine 4 durch einen in 2 nicht dargestellten Abgasstutzen.
Die Brenner 13 sind in der Ringbrennkammer 5 im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik nicht alle regelmässig angeordnet. Lediglich die Hauptbrenner 13.1 sind regelmässig in der Brennkammer 5 angeordnet, damit eine möglichst homogene Verteilung der Brenngase schon in der primären Verbrennungszone erzielt werden kann, was wiederum zu einer homogenen Austrittsverteilung der Brennkammerabgase führt. Der Nachteil von durch die homogene Reaktionszone hervorgerufenen Druckpulsationen und mangelnder Querzündung von Brenner zu Brenner wird durch die erfindungsgemässe Brenneranordnung beseitigt. Die Störbrenner 13.2 sind axial verschoben zu den Hauptbrennern 13.1 und in einem unsymmetrischen Muster in der Brennkammer angeordnet. Das führt dazu, dass die Rezirkulationszonen der einzelnen Brenner nicht mehr in einer Ebene liegen. Der Abstand der Brenner zur Verbrennungszone ist also nicht mehr für alle Brenner gleich, sondern die Störbrenner 13.2 und die Hauptbrenner 13.1 haben unterschiedliche Zeitkonstanten. Tritt nun eine durch Turbulenz vorhandene leichte Störung auf, so sind die Umsatzschwankungen der Brenner zeitlich verschoben, so dass Druckpulsationen gedämpft werden. 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es ist jeweils die Abwicklung einer Ringbrennkammer in der Ebene einer Brennerreihe dargestellt, wobei der Störbrenner 13.2 im Vergleich zu den Hauptbrennern 13.1 in Umfangsrichtung geneigt angeordnet ist. Als Brenner sind hier wiederum Vormischbrenner der Doppelkegelbauart eingesetzt. Durch die Neigung der Störbrenner 13.2 entsteht eine Querströmung, die die Querzündung der Brenner wesentlich erleichtert.
Es sind auch Winkelabweichungen zur Brennkammerachse bzw. zur Brennkammermittelschnittsebene möglich, so dass die Störbrenner 13.2 windschief zur Brennkammer- bzw. zur Maschinenachse stehen.
Aber auch mit dem in 5 beispielhaft dargestellten unsymmetrischen Muster, bei dem nur ein Störbrenner 13.2 im Ring der Ringbrennkammer angeordnet ist, lassen sich die Vorteile der Erfindung erreichen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die eben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Brenneranordnung ist neben den Vormischbrennern auch für teilvorgemischte und Diffusionsbrenner geeignet, welche sowohl in Ringbrennkammern, als auch in Silo- bzw. Rohrbrennkammern angeordnet sein können. Ausserdem ist die Brenneranordnung auch für Kesselfeuerungen einsetzbar.
Mit der Erfindung ist es möglich, neben der Dämpfung der oben beschriebenen Druckpulsationen durch die homogene Flammen scheibe auch solche Druckpulsationen zu dämpfen, die durch andere Mechanismen hervorgerufen werden, z.B. periodische Ablösungen und Entropiewellen. Die Querzündung der Brenner wird verbessert und ausserdem kann damit das Austrittsprofil der Brennkammerabgase gezielt an die Erfordernisse der Turbine angepasst werden.

1: Turbinengehäuse
2: Welle
3: Verdichter
4: Turbine
5: Brennkammer
6: Heissgasgehäuse
7: Turbineneintritt
8: Luftkanal
9: Zwischenraum
10: Primärlufteintritt
11: Brennraum
12: Mischluftdüse
13: Brenner
13.1: Hauptbrenner
13.2: Störbrenner
14: Abgasstutzen
15: Wellenachse
16: Plenum
17: Brennstofflanze
18: Frontplatte
l₁: axialer Abstand der Hauptbrenner 13.1 von Pos. 15
l₂: axialer Abstand der Störbrenner 13.2 von Pos. 15
α: Winkel zwischen Brennerachse und Maschinenachse bzw.
: Brennkammerachse

Claims

Brenneranordnung einer Brennkammer (5), insbesondere für eine Gasturbine, wobei mindestens zwei Brennergruppen (13.1, 13.2), bestehend aus jeweils mindestens einem Brenner (13) gleicher Grösse und Geometrie zur Bestückung der Brennkammer (5) vorgesehen sind und mindestens eine Brennergruppe den/die Hauptbrenner (13.1) darstellt, wobei der/die Hauptbrenner (13.1) eine homogene Flammenscheibe in der Brennkammer (5) erzeugt/erzeugen, und die andere Brennergruppe als Störbrenner (13.2) die Homogenität der Flammenscheibe in der Brennkammer (5) stört, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Störbrenner (13.2) im Vergleich zu dem/den Hauptbrenner(n) (13.1) in der Brennkammer (5) geneigt angeordnet ist/sind.
Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Störbrenner (13.2) in Umfangsrichtung geneigt angeordnet ist/sind.
Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Störbrenner (13.2) in radialer Richtung unter einem beliebigen Winkel (α) windschief zur Maschinenachse bzw. zur Brennkammerachse geneigt angeordnet ist/sind.
Brenneranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Störbrenner (13.2) eine solche Neigung in radialer Richtung aufweist/aufweisen, dass seine/ihre Mündung(en) vom nächstliegenden Teil der Brennkammerwand weggerichtet ist/sind.
Brenneranordnung einer Brennkammer (5), insbesondere für eine Gasturbine, wobei mindestens zwei Brennergruppen (13.1, 13.2), bestehend aus jeweils mindestens einem Brenner (13) gleicher Grösse und Geometrie zur Bestückung der Brennkammer (5) vorgesehen sind und mindestens eine Brennergruppe den/die Hauptbrenner (13.1) darstellt, wobei der/die Hauptbrenner (13.1) eine homogene Flammenscheibe in der Brennkammer (5) erzeugt/erzeugen, und die andere Brennergruppe als Störbrenner (13.2) die Homogenität der Flammenscheibe in der Brennkammer (5) stört, wobei der/die Störbrenner (13.2) im Vergleich zu dem/den Hauptbrenner(n) (13.1) in der Brennkammer (5) axial verschoben angeordnet ist/sind, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Störbrenner (13.2) und der/die Hauptbrenner (13.1) in einem unsymmetrischen Muster in der Brennkammer (5) angeordnet ist/sind.