EP2236932A1

EP2236932A1 - Verfahren zum Betrieb eines Brenners und Brenner, insbesondere für eine Gasturbine

Info

Publication number: EP2236932A1
Application number: EP09155341A
Authority: EP
Inventors: Matthias Hase
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-10-06
Also published as: CN102356279A; RU2523519C2; JP5460850B2; WO2010106034A3; US20120000203A1; CN102356279B; RU2011141846A; US9032736B2; JP2012520984A; WO2010106034A2; EP2409087A2

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners (1) zur Verfügung gestellt, welcher eine Brennerachse (4) und wenigstens Strahldüse (2) umfasst, wobei wenigstens eine Strahldüse (2) eine Mittelachse (5), einen Stahldüsenausgang (9) und eine ausgehend von der Mittelachse (5) in radialer Richtung der Brennerachse (4) zugewandte Wand (7) umfasst, und ein einen Brennstoff umfassender Fluidmassenstrom die mindestens eine Strahldüse (2) zum Strahldüsenausgang (9) hin durchströmt. Am Strahldüsenausgang (9) wird zwischen dem Brennstoff umfassenden Fluidmassenstrom und der der Brennerachse zugewandten Wand (7) ein Luftfilm (20) ausgebildet, indem Luft entlang der der Brennerachse zugewandten Wand (7) in die mindestens eine Strahldüse (2) eingedüst wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb eines Brenners, einen Brenner und eine Gasturbine.
Auf vorgemischten Strahlflammen basierende Verbrennungssysteme bieten gegenüber drallstabilisierten Systemen aufgrund der verteilten Wärmefreisetzungszonen und der fehlenden drallinduzierten Wirbel, insbesondere aus thermoakustischer Sicht, Vorteile. Durch geeignete Wahl des Strahlimpulses lassen sich kleinskalige Strömungsstrukturen erzeugen, die akustisch induzierte Wärmefreisetzungsfluktuationen dissipieren und somit Druckpulsationen, die typisch für drallstabilisierte Flammen sind, unterdrücken.
Die Strahlflammen werden durch Einmischen heißer rezirkulierender Gase stabilisiert. Zur Einstellung des DOC-spezifischen Verbrennungszustandes, welcher sich durch eine verzögerte Zündung des Frischgasgemisches und eine Verteilte Wärmefreisetzungszone auszeichnet, ist die Brennstoffverteilung in der Vormischpassage ein wichtiger Parameter. Da die Brennstoffverteilung in der Vormischpassage nicht nur von dem eingesetzten Brennstoffverteiler abhängt, sondern auch von der Luftzuströmung zur Strahldüse, die auch lastabhängig sein kann, müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, um das gewünschte Brennstoffprofil zuverlässig einzustellen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb eines Brenners zur Verfügung zu stellen. Eine zweite Aufgabe besteht darin, einen vorteilhaften Brenner zur Verfügung zu stellen. Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine vorteilhafte Gasturbine zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, die die zweite Aufgabe durch einen Brenner nach Anspruch 8 und die dritte Aufgabe wird durch eine Gasturbine nach Anspruch 16. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Brenners bezieht sich auf einen Brenner, welcher eine Brennerachse und mindestens eine Strahlendüse umfasst. Typischerweise wird aber eine Anzahl um die Brennerachse herum angeordneter Strahldüsen vorhanden sein. Die mindestens eine Strahldüse umfasst eine Mittelachse, einen Stahldüsenausgang und eine ausgehend von der Mittelachse in radialer Richtung der Brennerachse zugewandte Wand. Ein einen Brennstoff umfassender Fluidmassenstrom durchströmt die mindestens eine Strahldüse zum Strahldüsenausgang hin. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass am Strahldüsenausgang zwischen dem Brennstoff umfassenden Fluidmassenstrom und der der Brennerachse zugewandten Wand ein Luft- oder Inertgasfilm ausgebildet wird, indem Luft oder Inertgas entlang der der Brennerachse zugewandten Wand in die mindestens eine Strahldüse eingedüst wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird mindestens der Bereich der Stahldüsenwand, der sich zwischen der Mittelachse der Strahldüse und der Brennerachse befindet, als der Brennerachse zugewandte Wand bezeichnet.
Besonders vorteilhaft ist es, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens keinen oder sehr wenig Brennstoff in dem der Brennerachse zugewandten Bereich des Strahldüsenausgangs zu haben. Zuviel Brennstoff in diesem Bereich kann nämlich zu einer schnellen Zündung der Flamme führen, die so nicht erwünscht ist. Da im vorliegenden Verfahren kein oder nur sehr wenig Brennstoff in diesem Bereich vorhanden ist, ist die Zündung verzögert. Die verzögerte Zündung ermöglicht zum einen eine größere Mischungslänge, die zu einem geringeren Stickoxidwert führt. Zum anderen ermöglicht die verzögerte Zündung eine verteilte Wärmefreisetzung, die aus thermoakustischer Sicht günstig ist.
Grundsätzlich wird mit Hilfe der vorliegenden Erfindung durch gezielte Luft- bzw. Inertgaseindüsung zur Filmbildung in der Strahldüse das Brennstoffprofil so geändert, dass zum Beispiel der der Brennerachse zugewandte Teil des Profis keinen oder nur sehr wenig Brennstoff enthält. Dabei sollte es das Ziel sein, möglichst wenig Luft bzw. Inertgas für die Einstellung des Profils zu verwenden.
Die mindestens eine Strahldüse kann eine um die Mittelachse herum verlaufende Umfangsrichtung aufweisen. In diesem Fall kann die Luft oder das Inertgas in Umfangsrichtung in einem Winkelbereich von mindestens ±15°, bezogen auf eine radialen Verbindungslinie zwischen der Brennerachse und der Mittelachse, in die Strahldüse eingedüst werden. Auf diese Weise wird erreicht, dass der der Brennerachse zugewandte Teil des Brennstoffprofils keinen oder nur sehr wenig Brennstoff enthält.
Weiterhin kann die Luft oder das Inertgas in Umfangsrichtung in einem Winkelbereich von höchstens ±135° insbesondere in einem Winkelbereich von höchstens zwischen ±90° und weiter insbesondere von höchstens ±45°, bezogen auf eine radiale Verbindungslinie zwischen der Brennerachse und der Mittelachse, in die Strahldüse eingedüst werden. In diesem Fall kann Luft oder Inertgas bei Vorhandensein benachbarter Strahlendüsen auch an den zu den benachbarten Strahlen gewandten Seiten eingedüst werden. Diese Luft beziehungsweise dieses Inertgas verhindert ein Zusammenwachsen der Strahlflammen und ermöglicht somit eine vorteilhafte Wärmefreisetzungszone, wie sie für Strahlflammen basierte Brennersysteme angestrebt wird. Die Luft- beziehungsweise Inertgaseindüsung auf der den Nachbarstrahlen zugewandten Seiten kann zweiseitig oder nur einseitig ausgeführt werden.
Darüber hinaus kann die Luft in Umfangsrichtung um die Mittelachse in einem asymmetrischen Winkelbereich von höchstens -135° bis +45° oder höchstens -45° bis +135°, bezogen auf eine radiale Verbindungslinie zwischen der Brennerachse und der Mittelachse, in die Strahldüse eingedüst werden. Dadurch wird jeweils eine einseitige Luft- beziehungsweise Inertgaseindüsung auf der den Nachbarstrahlen zugewandten Seiten erreicht.
Grundsätzlich kann die mindestens eine Strahldüse eine Mittelachse umfassen. Die Luft oder das Inertgas kann vorteilhafter Weise in einem Winkel zwischen 0° und 60° zur Mittelachse in die Strahldüse eingedüst werden.
Der erfindungsgemäße Brenner umfasst eine Brennerachse und mindestens eine Strahldüse. Es kann aber auch eine Anzahl um die Brennerachse herum angeordneter Strahldüsen umfassen. Die mindestens eine Strahldüse umfasst eine Mittelachse und einen sich um diese herum in einem Winkelbereich von höchstens -135° bis +135° und von mindestens -15° bis +15°, bezogen auf eine radiale Verbindungslinie zwischen der Brennerachse und der Mittelachse, erstreckenden Wandbereich (im folgenden auch als der Brennerachse zugewandter Wand bezeichnet). Der erfindungsgemäße Brenner zeichnet sich dadurch aus, dass ausschließlich der sich um die Mittelachse herum in dem Winkelbereich von höchstens -135° bis +135° und mindestens -15° bis +15° erstreckende Wandbereich mindestens einen in die Strahldüse einmündenden Strömungskanal zur Luft oder Inertgaszufuhr umfasst. Der erfindungsgemäße Brenner eignet sich zur Ausführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere kann der Strömungskanal mit einer Luftreservoir oder einer Inertgasquelle verbunden sein.
Der den mindestens einen in die Strahldüse einmündenden Strömungskanal umfassende Wandbereich kann sich insbesondere auch um die Mittelachse herum in dem Winkelbereich von höchstens ±90, insbesondere von höchstens ±45 oder von höchstens -45° bis +135° oder höchstens -135° bis +45° erstrecken. In den letzten beiden Varianten wird jeweils eine einseitige Luft-oder Inertgaseindüsung auf der den Nachbarstrahlen zugewandten Seiten erreicht.
Der Strömungskanal kann vorteilhafter Weise als Bohrung oder Teilringspalt ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Bohrung eine Mittelachse umfassen, die mit der Mittelachse der Strahldüse einen Winkel zwischen 0° und 60°, insbesondere zwischen 20° und 40°, einschließt. Die eingedüste Luft beziehungsweise das eingedüste Inertgas, welche beziehungsweise welches von der Hauptströmung in der Strahldüse mitgerissen wird, bildet dann einen besonders vorteilhaften Film. Die Bohrung kann beispielsweise einen runden, einen elliptischen oder einen beliebigen anderen Querschnitt aufweisen. Vorteilhafter Weise kann die Bohrung einen profilierten Austrittsquerschnitt aufweisen, welcher dem von Filmkühlöffnungen entspricht. Ähnlich der Filmkühlluft ist die Vorgabe für die eingedüste Luft beziehungsweise das eingedüste Inertgas, das sie beziehungsweise es sich möglichst wenig mit der Kernströmung vermischt.
Im Falle der Ausgestaltung des Strömungskanals als Teilringspalt kann der Teilringspalt einen gedachten Teilkegelmantel bilden, der mit der Mittelachse der Strahldüse einen Winkel zwischen 0° und 60°, insbesondere zwischen 20° und 40°, einschließen kann. Vorteilhafter Weise kann der Teilringspalt mehrere Teilringspaltsegmente umfassen. Dies bewirkt eine bessere Kontrollierbarkeit der Spaltgröße.
Weiterhin kann der Teilringspalt so ausgestaltet sein, das er sich abhängig von den Betriebsbedingungen schließt oder öffnet. Er kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass er sich durch thermische Ausdehnung eines Bauelements, insbesondere durch thermische Dehnung der angrenzenden Bauteile, schließt oder öffnet. Zum Beispiel kann der Brenner eine Pilotbrennstoffdüse umfassen und der Teilringspalt so ausgestaltet sein, dass sich der Teilringspalt abhängig von der Temperatur der Pilotbrennstoffdüse schließt oder öffnet. So kann insbesondere eine heiße Pilotbrennstoffdüse im Teillastbereich dazu führen, dass sich der Spalt schließt während der Spalt bei sehr wenig Pilotgas, also bei einer im Vergleich zum Teillastbereich kühleren Pilotbrennstoffdüse, nahe der Grundlast eine maximale Größe erreicht.
Der erfindungsgemäße Brenner erlaubt den Einsatz von Luftfilmen oder Inertgasfilmen um das Mischungsprofil für einen Strahlbrenner so zu modellieren, wie es für den Betrieb optimal ist.
Die erfindungsgemäße Gasturbine umfasste wenigstens einen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Brenner. Ihre Eigenschaften und Vorteile ergeben sich aus denen des bereits beschriebenen erfindungsgemäßen Brenners. Insgesamt erlaubt die vorliegende Erfindung durch den Einsatz von Luftfilmen oder Inertgasfilmen das Mischungsprofil für einen Strahlbrenner so zu modellieren, wie es für den Betrieb der Gasturbine optimal ist.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Die beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft.

FIG 1: zeigt schematisch eine Gasturbine.
FIG 2: zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Strahl- brenner quer zu dessen Längsrichtung.
FIG 3: zeigt schematisch einen Schnitt durch einen weite- ren Strahlbrenner quer zu dessen Längsrichtung.
FIG 4: zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines Strahlbrenners in Längsrichtung.
FIG 5: zeigt schematisch ein ungünstiges Brennstoffprofil am Strahldüsenausgang.
FIG 6: zeigt schematisch ein vorteilhaftes Brennstoffpro- fil am Strahldüsenausgang.
FIG 7: zeigt schematisch ein weiteres vorteilhaftes Brenn- stoffprofil am Strahldüsenausgang.
FIG 8: zeigt schematisch ein weiteres vorteilhaftes Brenn- stoffprofil am Strahldüsenausgang.
FIG 9: zeigt schematisch ein weiteres vorteilhaftes Brenn- stoffprofil am Strahldüsenausgang.
FIG 10: zeigt schematisch ein weiteres vorteilhaftes Brenn- stoffprofil am Strahldüsenausgang.
FIG 11: zeigt schematisch ein weiteres vorteilhaftes Brenn- stoffprofil am Strahldüsenausgang.
FIG 12: zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Strahldüse in Längsrichtung.
FIG 13: zeigt schematisch einen Schnitt durch die in der

Figur 12

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 13 näher erläutert. Die FIG 1 zeigt schematisch eine Gasturbine. Eine Gasturbine weist im Inneren einen um eine Rotationsachse drehgelagerten Rotor mit einer Welle 107 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 109, ein Verdichter 101, ein Verbrennungssystem 151 mit einer Anzahl von Strahlbrennern 1, eine Turbine 105 und das Abgasgehäuse 190.
Das Verbrennungssystem 151 kommuniziert mit einem ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 105. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißgaskanal einem Leitschaufelkranz 117 ein aus Laufschaufeln 115 gebildeter Laufschaufelkranz. Die Leitschaufeln 117 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 115 eines Laufschaufelkranzes Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor angebracht sind. An dem Rotor angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine.
Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 101 durch das Ansauggehäuse 109 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 101 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu dem Verbrennungssystem 151 geführt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann mit Hilfe der Strahlbrenner 1 unter Bildung des Arbeitsmediums im Verbrennungssystem 151 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 117 und den Laufschaufeln 115 vorbei. An den Laufschaufeln 115 entspannt sich das Arbeitsmedium impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 115 den Rotor antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine bzw. den an ihn angekoppelten Generator (nicht dargestellt).
Das Verbrennungssystem 151 umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen Brenner und kann grundsätzlich eine Ringbrennkammer oder eine Mehrzahl von Rohrbrennkammern umfassen.
Die FIG 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Strahlbrenner 1 senkrecht zu einer Mittelachse 4 des Brenners 1. Der Brenner 1 umfasst ein Gehäuse 6, welches einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Innerhalb des Gehäuses 6 ist eine bestimmte Anzahl an Strahldüsen 2 im Wesentlichen ringförmig angeordnet. Jede Strahldüse 2 weist dabei einen kreisförmigen Querschnitt auf. Außerdem kann der Brenner 1 einen Pilotbrenner umfassen.
Die FIG 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen alternativen Strahlbrenner 1a, wobei der Schnitt senkrecht zur Mittelachse des Brenners 1a verläuft. Der Brenner 1a weist ebenfalls ein Gehäuse 6 auf, welches einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und in welchem eine Anzahl innerer und äußerer Strahldüsen 2, 3 angeordnet ist. Die Strahldüsen 2, 3 weisen jeweils einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei die äußeren Strahldüsen 2 eine gleich große oder größere Querschnittsfläche besitzen als die inneren Strahldüsen 3. Die äußeren Strahldüsen 2 sind im Wesentlichen ringförmig innerhalb des Gehäuses 6 angeordnet und bilden einen äußeren Ring. Die inneren Strahldüsen 3 sind ebenfalls innerhalb des Gehäuses 6 ringförmig angeordnet. Die inneren Strahldüsen 3 bilden einen inneren Ring, der konzentrisch zu dem äußeren Strahldüsenring angeordnet ist.
Die Figuren 2 und 3 zeigen lediglich Beispiele für die Anordnung von Strahldüsen 2, 3 innerhalb eines Strahlbrenners 1, 1a. Selbstverständlich sind alternative Anordnungen, ebenso wie die Verwendung einer anderen Anzahl an Strahldüsen 2, 3 möglich.
Die FIG 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Strahlbrenners 1 in Längsrichtung, also entlang der Mittelachse 4 des Brenners 1. Der Brenner 1 weist mindestens eine in einem Gehäuse 6 angeordnete Strahldüse 2 auf. Die Mittelachse der Strahldüse ist durch die Bezugsziffer 5 gekennzeichnet. Die Strahldüse 2 umfasst einen Strahldüseneingang 8 und einen Strahldüsenausgang 9. An den Strahldüsenausgang 9 schließt sich die Brennkammer 18 an. Zudem ist die Strahldüse 2 so in dem Gehäuse 6 angeordnet, dass der Strahldüseneingang 8 der Rückwand 24 des Brenners 1 zugewandt ist. Das Gehäuse 6 umfasst weiterhin einen radial in Bezug auf die Mittelachse 4 des Brenners 1 äußeren Gehäuseteil 127.
Die Strahldüse 2 ist strömungstechnisch mit einem Kompressor verbunden. Die von dem Kompressor kommende Druckluft wird über einen Ringspalt 22 zum Strahldüseneingang 8 geleitet und/oder über eine Lufteinlassöffnung 23 radial in Bezug auf die Mittelachse 5 der Strahldüse 2 zum Strahldüseneingang 8 geleitet. In dem Fall, dass die Druckluft durch den Ringspalt 22 der Strahldüse 2 zugeführt wird, strömt die komprimierte Luft durch den Ringspalt 22 in Richtung des mit der Bezugsziffer 15 gekennzeichneten Pfeils, also parallel zur Mittelachse 5 der Strahldüse 2. Die in Richtung des Pfeils 15 strömende Luft wird dann an der Rückwand 24 des Brenners 1 um 180° umgelenkt und strömt anschließend durch den Strahldüseneingang 8 in die Strahldüse 2. Die Strömungsrichtung der Luft innerhalb der Strahldüse 2 ist durch einen Pfeil 10 gekennzeichnet.
Zusätzlich oder alternativ zu einer Zufuhr der Druckluft durch den Ringspalt 22 kann die von dem Kompressor kommende Druckluft auch durch eine Öffnung 23, die in dem Gehäuse 6 des Brenners 1 radial in Bezug auf die Mittelachse 5 der Strahldüse 2 angeordnet ist, zugeleitet werden. Die Strömungsrichtung der durch die Öffnung 23 strömenden Druckluft ist durch einen Pfeil 16 gekennzeichnet. In diesem Fall wird die Druckluft anschließend um 90° umgelenkt und strömt dann durch den Strahldüseneingang 8 in die Strahldüse 2.
Am Strahldüseneingang 8 befindet sich zudem eine Brennstoffdüse 19, durch die ein Brennstoff 12 in die Strahldüse 2 eingedüst wird. Die Strömungsrichtung des Brennstoffes ist durch die Bezugsziffer 17 gekennzeichnet. Zusätzlich oder alternativ kann die Brennstoffdüse 19 an ihrem Umfang Brennstoffaustrittsöffnungen 119 aufweisen, über die Brennstoff in Richtung der in FIG 4 gestrichelt dargestellte Pfeile 117 eingebracht werden kann.
Die Strahldüse 2 umfasst weiterhin eine der Brennerachse 4 zugewandte Wand 7. Als der Brennerachse zugewandte Wand 7 wird mindestens der Bereich der Stahldüsenwand, der sich zwischen der Mittelachse 5 der Strahldüse 1 und der Brennerachse 4 befindet, bezeichnet. Die der Brennerachse zugewandte Wand 7 kann sich insbesondere um die Mittelachse 5 herum in einem Winkelbereich von höchstens -135° bis +135° und mindestens - 15° bis +15°, bezogen auf die radiale Verbindungslinie 26 zwischen der Brennerachse 4 und der Mittelachse 5, erstreckenden.
Im Bereich der der Brennerachse zugewandten Wand 7 befindet sich im Inneren des Gehäuses 6 eine mit den Kompressor in Verbindung stehende Luftzuleitung 13. Ausgehend von der Luftzuleitung 13 führen Lufteinlassöffnungen 14 in das Innere der Strahldüse 2. Die Lufteinlassöffnungen 14 sind in der vorliegenden Ausführungsvariante als Bohrungen mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgestaltet. Sie umfassen jeweils eine Mittelachse 27, die mit der Mittelachse 5 der Strahldüse 2 einen Winkel β einschließen, der beispielsweise zwischen 0° und 60°, insbesondere zwischen 20° und 40°, liegen kann.
Statt Luft kann über die Zuführleitung auch ein Inertgas zugeführt werden. In diesem Fall steht die Leitung 13 nicht mit dem Kompressor in Verbindung, sondern mit einem Inertgasreservoir beziehungsweise einer Inertgasquelle.
Durch die Luftzuleitung 13 und die Lufteinlassöffnungen 14 wird Luft so in die Strahldüse 2 eingedüst, dass sie von dem durch den Pfeil 10 gekennzeichneten Hauptstrom mitgerissen wird und sich daher entlang der der Brennerachse 4 zugewandten Wand 7 ein Luftfilm ausbildet. Die Strömungsrichtung der eingedüsten Luft ist mit der Bezugsziffer 20 gekennzeichnet.
Der erfindungsgemäße Brenner 1 kann grundsätzlich auch ohne den äußeren Gehäuseteil 127 beziehungsweise ohne äußeres Gehäuse 127 ausgestaltet sein. In diesem Fall kann die Druckluft direkt in das "Plenum", also den Bereich zwischen der Rückwand 24 und dem Strahldüseneingang 8, strömen. Der erfindungsgemäße Brenner 1 kann weiterhin auch ohne die Rückwand 24 ausgestaltet sein.
Die FIG 5 zeigt schematisch ein Brennstoffprofil, wie es ohne die erfindungsgemäße Luftfilmerzeugung an der der Brennerachse zugewandten Wand am Strahldüsenausgang erzeugt wird. Die radiale Verbindungslinie zwischen der Mittelachse 5 der Strahldüse 2 und der Mittelachse des Brenners 4 ist zur Orientierung mit der Bezugsziffer 26 gekennzeichnet.
Das in der FIG 5 schematisch gezeigte Brennerprofil zeichnet sich dadurch aus, dass sich im äußeren Bereich der Strahldüse 2, also an der Strahldüsenwand ein mit Brennstoff angereicherter Bereich 25 ausbildet. Zwei weitere mit Brennstoff angereicherte Bereiche 25 befinden sich in der Nähe der Mittelachse der Strahldüse 5. Weiterhin befinden sich in der Nähe der Mittelachse der Strahldüse 5 ein brennstofffreier bzw. brennstoffarmer Bereich 21, sowie ein Bereich 22, in dem das gewünschte Luft-Brennstoff-Gemisch 22 vorherrscht. Das in der FIG 5 schematisch gezeigte Brennstoffprofil ist unvorteilhaft, da an der der Brennerachse zugewandten Wand 7 Brennstoff 25 vorherrscht. Dieser mit Brennstoff angereicherte Bereich 25 wird durch Luftanströmung zur Strahldüse 2 verursacht.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens, also durch Eindüsen von Luft entlang der der Brennerachse zugewandten Wand 7 unter Bildung eines Luftfilmes lässt sich das in FIG 6 schematisch gezeigte Brennstoffprofil erzeugen. Dieses Profil zeichnet sich dadurch aus, dass an der der Brennerachse zugewandten Wand 7 ein brennstofffreier Bereich 21 vorherrscht. Der Bereich 21 ist im Idealfall brennstofffrei, kann aber auch brennstoffarm sein. Das in der FIG 6 gezeigte Brennstoffprofil ist vorteilhaft, da der Luftfilm 21 an der der Brennerachse zugewandten Wand 7 ein frühes Zünden der Strahlflammen verhindert und eine verteilte Wärmefreisetzungszone ermöglicht.
Die Figuren 7 bis 12 zeigen schematisch verschiedene Brennstoffprofile an dem Strahldüsenausgang 9, wie sie sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Brenners, erzeugen lassen. Das in der FIG 7 gezeigte Brennstoffprofil zeichnet sich dadurch aus, dass sich ein brennstofffreier bzw. brennstoffarmer Bereich entlang der Brennerachse zugewandten Wand 7 in einem Winkel um die Mittelachse 5 der Strahldüse 2 ausgehend von einer radialen Verbindungslinie 26 zwischen der Mittelachse 5 der Strahldüse 2 und der Brennerachse 4 von -α bis +α ausbildet. Der Winkel α beträgt in der FIG 7 etwa 45°. Der brennstofffreie bzw. brennstoffarme Bereich 21 wird durch Eindüsen von Luft in einem Winkel von -α bis +α um die Mittelachse 5 der Strahldüse 2 ausgehend von der Verbindungslinie 26 erzeugt. In der FIG 8 beträgt der Winkel α 90°, in der FIG 9 beträgt er 15° und in der FIG 10 beträgt er 135°.
Das in der FIG 10 gezeigte Brennstoffprofil zeichnet sich im Unterschied zu den in der FIG 7 und der FIG 9 gezeigten Profilen dadurch aus, dass zusätzlich zu einer Abschirmung des Brennstoffes durch einen Luftfilm in Richtung zur Brennerachse 4 auch eine Abschirmung zu den jeweils benachbarten Strahldüsen erreicht wird und dadurch ein Zusammenwachsen der Flammen verhindert wird.
Das in der FIG 11 gezeigte Brennstoffprofil zeichnet sich durch einen brennstofffreien bzw. brennstoffarmen Bereich 21 aus, der sich in einem asymmetrischen Winkelbereich von -135° bis +45° um die Mittelachse 5 der Strahldüse ausgehend von der Verbindungslinie 26 herum erstreckt. Mit Hilfe des in der FIG 11 gezeigten Profils wird eine einseitige Abschirmung zu einer benachbarten Strahldüse und in Richtung zur Mittelachse 4 des Brenners erzielt. Diese Konfiguration ist vorteilhaft, um die Menge an eingesetzter Luft bzw. eingesetztem Inertgas möglichst klein zu halten.
Die Figuren 12 und 13 zeigen eine weitere Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners mit Hilfe eines Teilringspaltes. Die FIG 12 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Strahldüse in Längsrichtung. Die FIG 13 zeigt einen Schnitt durch die in der FIG 12 gezeigte Strahldüse quer zur Mittelachse 5.
Die in den Figuren 12 und 13 gezeigte Strahldüse 2 umfasst einen Teilringspalt 28. Durch den Teilringspalt 28 wird Luft entlang der Strömungsrichtung 20 in das Innere der Strahldüse 2 eingedüst. In Folge der Strömung 22 des die Strahldüse 2 durchströmenden Luft-Brennstoff-Gemisches bildet sich entlang der der Brennerachse zugewandten Wand 7 ein Luftfilm aus.
Der Teilringspalt 28 bildet einen gedachten Teilkegelmantel, der durch die Bezugsziffer 29 gekennzeichnet ist und der mit der Mittelachse 5 der Strahldüse 2 einen Winkel β zwischen 0° und 60°, insbesondere zwischen 20° und 40°, einschließt.
Die FIG 13 zeigt schematisch einen Schnitt entlang XIII-XIII der in der FIG 12 gezeigten Strahldüse. Der in der FIG 13 gezeigt Teilringspalt 28 umfasst mehrere Teilringspaltsegmente, in der vorliegenden Ausführungsvariante drei Teilringspaltsegmente 30. Die Ausgestaltung des Teilringspaltes 28 aus mehreren Teilringspaltsegmenten 30 ermöglicht eine bessere Kontrollierbarkeit der Spaltgröße, insbesondere eine Kontrollierbarkeit und Einstellbarkeit des Winkelbereiches α für den zu erzeugenden Luftfilm. Zudem bewirkt die Ausgestaltung mit Hilfe von Teilringspaltsegmenten 30 eine erhöhte Stabilität der Strahldüse 2 im Bereich des Teilringspaltes 28.
Der Teilringspalt 28 kann so ausgestaltet sein, dass er sich abhängig von den Betriebsbedingungen, beispielsweise infolge thermischer Ausdehnung eines Bauelements, schließt oder öffnet. Insbesondere kann der Brenner 1 eine mindestens eine Pilotbrennstoffdüse umfassen und der Teilringspalt 28 so ausgestaltet sein und mit der Pilotbrennstoffdüse in thermischen Kontakt stehen, dass er sich abhängig von der Temperatur der Pilotbrennstoffdüse schließt oder öffnet. Zum Beispiel kann eine heiße Pilotbrennstoffdüse im Teillastbetrieb dazu führen, dass sich der Teilringspalt 28 schließt, während der Teilringspalt 28 bei sehr wenig Pilotgas nahe der Grundlast, also einer kühleren Pilotbrennstoffdüse, eine maximale Größe erreicht.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Brenners (1), welcher eine Brennerachse (4) und wenigstens eine Strahldüse (2) umfasst, wobei die mindestens eine Strahldüse (2) eine Mittelachse (5), einen Stahldüsenausgang (9) und eine ausgehend von der Mittelachse (5) in radialer Richtung der Brennerachse (4) zugewandte Wand (7) umfasst, und ein einen Brennstoff umfassender Fluidmassenstrom die mindestens eine Strahldüse (2) zum Strahldüsenausgang (9) hin durchströmt,
dadurch gekennzeichnet, dass am Strahldüsenausgang (9) zwischen dem Brennstoff umfassenden Fluidmassenstrom und der der Brennerachse zugewandten Wand (7) ein Luft- oder Inertgasfilm (20) ausgebildet wird, indem Luft entlang der der Brennerachse zugewandten Wand (7) in die mindestens eine Strahldüse (2) eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strahldüse eine um die Mittelachse (5) herum verlaufende Umfangsrichtung aufweist und die Luft oder das Inertgas in Umfangsrichtung in einem Winkelbereich von mindestens ±15°, bezogen auf eine radiale Verbindungslinie (26) zwischen der Brennerachse (4) und der Mittelachse (5), in die Strahldüse (2) eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strahldüse eine um die Mittelachse (5) herum verlaufende Umfangsrichtung aufweist und die Luft oder das Inertgas in Umfangsrichtung in einem Winkelbereich von höchstens ±135°, bezogen auf eine radiale Verbindungslinie (26) zwischen der Brennerachse (4) und der Mittelachse (5), in die Strahldüse (2) eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strahldüse eine um die Mittelachse (5) herum verlaufende Umfangsrichtung aufweist und die Luft oder das Inertgas in Umfangsrichtung in einem Winkelbereich von höchstens ±90°, bezogen auf eine radiale Verbindungslinie (26) zwischen der Brennerachse (4) und der Mittelachse (5), in die Strahldüse (2) eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strahldüse eine um die Mittelachse (5) herum verlaufende Umfangsrichtung aufweist und die Luft oder das Inertgas in Umfangsrichtung in einem Winkelbereich von höchstens ±45°, bezogen auf eine radiale Verbindungslinie (26) zwischen der Brennerachse (4) und der Mittelachse (5), in die Strahldüse (2) eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strahldüse eine um die Mittelachse (5) herum verlaufende Umfangsrichtung aufweist und die Luft oder das Inertgas um die Mittelachse (5) in einem Winkelbereich von höchstens
-135° bis +45° oder von höchstens -45° bis +135°, bezogen auf eine radiale Verbindungslinie (26) zwischen der Brennerachse (4) und der Mittelachse (5), in die Strahldüse (2) eingedüst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Luft oder das Inertgas in einem Winkel (β) zwischen 0° und 60° zur Mittelachse (5) in die Strahldüse (2) eingedüst wird.
Brenner (1), der eine Brennerachse (4) und mindestens eine Strahldüse (2) umfasst, wobei die mindestens eine Strahldüse (2) eine Mittelachse (5) und einen sich um diese herum in einem Winkelbereich von höchstens -135° bis +135° und mindestens -15° bis +15°, bezogen auf eine radiale Verbindungslinie (26) zwischen der Brennerachse (4) und der Mittelachse (5), erstreckenden Wandbereich (7) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich der sich um die Mittelachse (5) herum in dem Winkelbereich von höchstens - 135° bis +135° und mindestens -15° bis +15° erstreckende Wandbereich (7) mindestens einen in die Strahldüse (2) einmündenden Strömungskanal (14) zur Zufuhr von Luft oder einem Inertgas umfasst.
Brenner (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal als Bohrung (14) oder Teilringspalt (28) ausgestaltet ist.
Brenner (1) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (14) eine Mittelachse (27) umfasst, die mit der Mittelachse (5) der Strahldüse (2) einen Winkel (β) zwischen 0° und 60° einschließt, oder der Teilringspalt (28) einen gedachten Teilkegelmantel (29) bildet, der mit der Mittelachse (5) der Strahldüse (2) einen Winkel (β) zwischen 0° und 60° einschließt.
Brenner (1) nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (14) einen runden oder elliptischen Querschnitt aufweist oder der Teilringspalt (28) mehrere Teilringspaltsegmente (30) umfasst.
Brenner (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (14) einen profilierten Austrittsquerschnitt aufweist, welcher dem von Filmkühlöffnungen entspricht.
Brenner (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass der Teilringspalt (28) so ausgestaltet ist, dass er sich abhängig von den Betriebsbedingungen schließt oder öffnet.
Brenner (1) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass der Teilringspalt (28) so ausgestaltet ist, dass er sich durch thermische Ausdehnung eines Bauelements schließt oder öffnet.
Brenner (1) nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (1) eine Pilotbrennstoffdüse umfasst und der Teilringspalt (28) so ausgestaltet ist, dass er sich abhängig von der Temperatur der Pilotbrennstoffdüse schließt oder öffnet.
Gasturbine, die wenigstens einen Brenner (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 15 umfasst.