HASE, Matthias (Duisburger Str. 327, Mülheim, 45478, DE)
MEISL, Jürgen (Prinzenhöhe 47, Mülheim an der Ruhr, 45478, DE)
FOX, Timothy A. (181 Hess Street South, Hamilton, Ontario L8P 3P1, CA)
PFADLER, Sebastian (Koloniestraße 9a, Mülheim an der Ruhr, 45478, DE)
GRIEB, Thomas (Inrather Straße 116, Krefeld, 47803, DE)
SIEMENS CANADA LIMITED (1550 Appleby Line, Burlington, Ontario L7L 6X7, CA)
BODE, Siegfried (Feuerdornweg 45, Mülheim an der Ruhr, 45481, DE)
HASE, Matthias (Duisburger Str. 327, Mülheim, 45478, DE)
MEISL, Jürgen (Prinzenhöhe 47, Mülheim an der Ruhr, 45478, DE)
FOX, Timothy A. (181 Hess Street South, Hamilton, Ontario L8P 3P1, CA)
PFADLER, Sebastian (Koloniestraße 9a, Mülheim an der Ruhr, 45478, DE)
GRIEB, Thomas (Inrather Straße 116, Krefeld, 47803, DE)
| Patentansprüche 1. Brenneranordnung (108) für eine Gasturbine mit mindestens einer Brennkammer, mit - einem zentral angeordneten Pilotbrenner (106) und - mehreren den Pilotbrenner umgebenden Hauptbrennern (107) , - wobei jeder der Hauptbrenner (107) ein zylinderförmiges Gehäuse (12) mit einer darin zentral angeordneten, einen Brennstoffkanal (16) für flüssigen Brennstoff aufweisenden Lanze (14) umfasst, wobei die Lanze (14) über Drallschaufeln (17) am Gehäuse (12) abgestützt ist und in Richtung der Brennkammer ein Aufsatz (13) an der Lanze (14) angeordnet ist, - wobei mindestens eine Flüssigbrennstoffdüse in dem Aufsatz (13) vorzugsweise stromab der Drallschaufeln (17) angeordnet und mit dem Brennstoffkanal (16) verbunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s - die mindestens eine Flüssigbrennstoffdüse als Vollstrahldüse (1) ausgestaltet ist und die mindestens eine Vollstrahldüse (1) eine Länge (32) und einen Durchmesser (33) aufweist, wobei das Verhältnis Länge (32) zu Durchmesser (33) mindestens 1,5 ist. 2. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Aufsatz (13) einen zylindrischen (130) und ein zu der Brennkammer hin konischen zulaufenden Teil (140) aufweist. 3. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der konische Teil (140) einen Konuswinkel von 10-20° Grad aufweist . 4. Brenneranordnung (108) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Aufsatz (13) eine Mittelaufsatzachse (18), und die mindestens eine Vollstrahldüse (1) eine Mittelachse (19) umfasst und die mindestens eine Vollstrahldüse (1) in dem Aufsatz (13) so angeordnet ist, dass die Mittelachse (19) der mindestens einen Vollstrahldüse (1) einen Winkel (20) von 90° Grad zu der Mittelaufsatzachse (18) des Aufsatzes (13) aufweist . 5. Brenneranordnung (108) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Aufsatz (13) eine Mittelaufsatzachse (18) umfasst, die mindestens eine Vollstrahldüse (1) eine Mittelachse (19) umfasst und die mindestens eine Vollstrahldüse (1) in dem Aufsatz (13) so angeordnet ist, dass die Mittelachse (19) der mindestens einen Vollstrahldüse (1) einen Winkel (20) zwischen 90°+/-30° Grad zu der Mittelaufsatzachse (18) des Aufsatzes (13) aufweist. 6. Brenneranordnung (108) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Aufsatz (13) eine Aufsatzoberfläche aufweist und die mindestens eine Vollstrahldüse (1) eine Mittelachse (19) umfasst, und die mindestens eine Vollstrahldüse (1) in dem Aufsatz (13) so angeordnet ist, dass die Mittelachse (19) der mindestens einen Vollstrahldüse (1) senkrecht zu dieser Aufsatzoberfläche ist. 7. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Aufsatz (13) eine Aufsatzoberfläche aufweist und die mindestens eine Vollstrahldüse (1) eine Mittelachse (19) umfasst, und die mindestens eine Vollstrahldüse (1) in dem Aufsatz (13) so angeordnet ist, dass die Mittelachse (19) der mindestens einen Vollstrahldüse (1) mit der Oberflächennormalen (23) der Aufsatzoberfläche einen Winkel von -10 Grad bis + 10 Grad einschließt. 8. Brenneranordnung (108) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s für jeden der Hauptbrenner (107) acht bis zwölf Vollstrahldüsen (1) mit einem Durchmesser (33) vorgesehen sind, wobei der Durchmesser (33) zwischen 0,55mm-0,8mm ist. 9. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s zehn Vollstrahldüsen (1) mit einem Durchmesser (33) zwischen 0,6mm-0,7mm vorgesehen sind. 10. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s zwölf Vollstrahldüsen (1) mit einem Durchmesser (33) zwischen 0,55mm-0,65 mm vorgesehen sind. 11. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s acht Vollstrahldüsen (1) mit einem Durchmesser (33) zwischen 0,7mm-0,8mm vorgesehen sind. 12. Brenneranordnung (108) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s bei wenigstens einem der Hauptbrenner (107) Vollstrahldüsen (1) entlang wenigstens einer um den Aufsatz (13) herum verlaufenden Umfangslinie (11) angeordnet sind. 13. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s bei wenigstens einem der Hauptbrenner (107) auf der dem Pilotbrenner (106) zugewandten Seite des Aufsatzes (13) mehr Vollstrahldüsen (1) angeordnet sind, als auf der dem Pilotbrenner (106) abgewandten Seite des Aufsatzes (13). 14. Brenneranordnung (108) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 oder 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s entlang wenigstens einer Umfangslinie (11) die Anzahldichte der Vollstrahldüsen (1) in Umfangsrichtung (22) variiert. 15. Brenneranordnung (108) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s entlang wenigstens einer Umfangslinie (11) Vollstrahldüsen (1) derart angeordnet sind, dass eine Neigung der Mittelachsen (19) der Vollstrahldüsen (1) in Richtung der Mittelaufsatzachse (18) in Umfangsrichtung (22) variiert. 16. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Mittelachsen (19) der entlang der Umfangslinie (11) angeordneten Vollstrahldüsen (1) alternierend ausgerichtet sind, wobei die Mittelachsen (19) abwechselnd senkrecht zur Mittelaufsatzachse (18) verlaufen und hiervon abweichend um höchstens 20 Grad in Richtung der Mittelaufsatzachse (18) geneigt sind. 17. Brenneranordnung (108) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s entlang wenigstens einer Umfangslinie (11) Vollstrahldüsen (I) derart angeordnet sind, dass die Mittelachse (19) wenigstens einer Vollstrahldüse (1) ausgehend von einer Position senkrecht zur Mittelaufsatzachse (18) eine Neigung in Umfangsrichtung (22) aufweist. 18. Brenneranordnung (108) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Vollstrahldüsen (1) entlang wenigstens einer Umfangslinie (II) unterschiedliche Durchmesser (33) aufweisen. 19. Brenneranordnung (108) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Vollstrahldüsen (1) entlang wenigstens einer Umfangslinie (11) einen gleichen Durchmesser (33) aufweisen. 20. Brenneranordnung (108) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Vollstrahldüsen (1) wenigstens entlang zweier Umfangslinien (11) angeordnet sind. 21. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die wenigstens zwei Umfangslinien (11) an unterschiedlichen axialen Positionen ringförmig und senkrecht zur Mittelaufsatzachse (18) verlaufen. 22. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die entlang einer stromauf liegenden Umfangslinie (11) angeordneten Vollstrahldüsen (1) einen größeren Durchmesser (33) aufweisen als die entlang einer stromab liegenden Umfangslinie (11) angeordneten Vollstrahldüsen (1). 23. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die entlang einer stromauf liegenden Umfangslinie (11) angeordneten Vollstrahldüsen (1) einen kleineren Durchmesser (33) aufweisen als die entlang einer stromab liegenden Umfangslinie (11) angeordneten Vollstrahldüsen (1). 24. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 22 oder 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s entlang der stromab liegenden Umfangslinie (11) angeordneten Vollstrahldüsen (1) und entlang der stromauf liegenden Umfangslinie (11) angeordnete Vollstrahldüsen (1) auf gemeinsamen Stromlinien (27) angeordnet sind, wobei bei Durchströmung der Drallschaufeln (17) mit Luft diese entlang der Stromlinien (27) verdrallbar ist. 25. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 22 oder 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s entlang der stromab liegenden Umfangslinie (11) angeordnete Vollstrahldüsen (1) und entlang der stromauf liegenden Umfangslinie (11) angeordnete Vollstrahldüsen (1) derart zueinander versetzt angeordnet sind, dass bei Durchströmung der Drallschaufeln (17) mit Luft diese entlang von Stromlinie (27) verdrallbar ist, auf welchen nur jeweils eine der Vollstrahldüsen (1) angeordnet ist. 26. Brenneranordnung (108) nach wenigstens einem der Ansprüche 20 bis 25, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s entlang der stromab liegenden Umfangslinie (11) angeordnete Vollstrahldüsen (1) Brennstoff an die gleiche radiale Position eindüsen wie entlang der stromauf liegenden Umfangslinie (11) angeordnete Vollstrahldüsen (1). 27. Brenneranordnung (108) nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Vollstrahldüsen (1) entlang wenigstens einer helixförmigen Umfangslinie (11) angeordnet sind. 28. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Durchmesser (33) der entlang der wenigstens einen helixförmigen Umfangslinie (11) angeordneten Vollstrahldüsen (1) derart ausgebildet sind, dass die Durchmesser (33) in Strömungsrichtung ansteigen. 29. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Durchmesser (33) der entlang der wenigstens einen helixförmigen Umfangslinie (11) angeordneten Vollstrahldüsen (1) derart ausgebildet sind, dass die Durchmesser (33) entgegengesetzt zur Strömungsrichtung ansteigen. 30. Brenneranordnung (108) nach wenigstens einem der Ansprüche 27 bis 29, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Vollstrahldüsen (1) entlang zweier helixförmiger Umfangslinien (11) angeordnet sind. 31. Brenneranordnung (108) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die entlang einer Umfangslinie (11) angeordneten Vollstrahldüsen (1) Abstände gegeneinander und Durchmesser (33) aufweisen, wobei sich deren Abfolge entlang der Umfangslinie (11) wiederholt. 32. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 31, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s entlang der Umfangslinie (11) zwischen jeweils zwei Vollstrahldüsen (1) mit gleichem Durchmesser (33) eine Vollstrahldüse (1) mit kleinerem Durchmesser (33) angeordnet ist. 33. Brenneranordnung nach Anspruch 32, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Vollstrahldüse (1) mit dem kleineren Durchmesser (33) näher zu einer der beiden Vollstrahldüsen (1) mit größerem Durchmesser (33) angeordnet ist. 34. Brenneranordnung (108) nach wenigstens einem der Ansprüche 31 bis 33, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die entlang wenigstens einer Umfangslinie (11) angeordneten Vollstrahldüsen (1) derart ausgebildet sind, dass ein mittels der Vollstrahldüsen (1) eingespritzter Brennstoff eine radiale Brennstoff erteilung um die Mittelaufsatzachse (18) erzeugt, wobei die Brennstoffverteilung eine ringförmige Zone einer ersten Brennstoffverteilung (28) und eine ringförmige Zone einer zweiten Brennstoffverteilung (29) umfasst. 35. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 34, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die ringförmige Zone einer ersten Brennstoffverteilung (28) und die ringförmige Zone einer zweiten Brennstoffverteilung (29) einander überlappen. 36. Brenneranordnung (108) nach Anspruch 34, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die ringförmige Zone einer ersten Brennstoffverteilung (28) und die ringförmige Zone einer zweiten Brennstoffverteilung (29) einen Abstand voneinander aufweisen. |
Brenneranordnung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brenneranordnung für eine Gasturbine mit wenigstens einer Brennkammer, wobei die Brenneranordnung einen zentral angeordneten Pilotbrenner und mehreren den Pilotbrenner umgebenden Hauptbrennern umfasst, wobei jeder der Hauptbrenner ein zylinderförmiges Gehäuse mit einer darin zentral angeordneten, einen Brennstoffkanal für flüssigen Brennstoff aufweisenden Lanze umfasst, wobei die Lanze über Drallschaufeln am Gehäuse abgestützt ist und in Richtung der Brennkammer ein Aufsatz an der Lanze angeordnet ist, wobei mindestens eine Flüssigbrennstoffdüse in dem
Aufsatz vorzugsweise stromab der Drallschaufeln angeordnet und mit dem Brennstoffkanal verbunden ist.
Im Betrieb der Gasturbine wird der Brennkammer verdichtete Luft aus dem Verdichter zugeführt. Die verdichtete Luft wird mit einem Brennstoff, beispielsweise Öl oder Gas, vermischt und das Gemisch in der Brennkammer verbrannt. Die heißen Verbrennungsabgase werden schließlich als Arbeitsmedium über einen Brennkammerausgang der Turbine zugeführt, wo sie unter Entspannung und Abkühlung Impuls auf die Laufschaufeln übertragen und so Arbeit leisten. Die Leitschaufeln dienen dabei zum Optimieren des Impulsübertrags.
Bei Verbrennungsmaschinen, insbesondere solchen, die mit zwei verschiedenen Brennstoffen betrieben werden, erfolgt
beispielsweise eine Eindüsung des Brennstoffes Öl über
Drallerzeuger, in denen das Öl mit Luft vermischt wird. Zur besseren Vermischung von Öl und Luft wird das Öl innerhalb der zur Eindüsung verwendeten Düsen in eine Drallbewegung versetzt. Diese Öldüse wird auch als Druck-Drall-Düse
bezeichnet.
Gerade bei Maschinen mit zwei verschiedenen Brennstoffen können die Öldüsen nicht so angeordnet werden, dass die Vermischung des Brennstoffs mit der Luft zu einem optimalen Ergebnis hinsichtlich der Druckpulsationen führt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Angabe einer Brenneranordnung der eingangs genannten Art, welche das obige Problem löst.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Brenneranordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die
mindestens eine Flüssigbrennstoffdüse als Vollstrahldüse ausgestaltet ist und die mindestens eine Vollstrahldüse eine Länge und einen Durchmesser aufweist, wobei das Verhältnis Länge zu Durchmesser mindestens 1,5 ist. Die weiteren Unteransprüche enthalten vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung.
Durch den Einsatz von Vollstrahldüsen kann die Einstellung des Brennstoffprofils , insbesondere der radialen
Brennstoffverteilung sehr effektiv verändert werden.
Vollstrahldüsen erzeugen einen Vollstrahl ohne störende
Turbulenzen. Gegenüber der Druck-Drall-Düse hat die
Vollstrahldüse den Vorteil, dass ein höherer
BrennstoffVordruck in eine größere Eindringtiefe umgesetzt wird. Bei Druck-Drall-Düsen werden durch einen höheren
Vordruck kleinere Tropfen gebildet, die wiederum weniger effektiv eindringen. Daraus folgt, dass für eine erhöhte Eindringtiefe bei Druck-Drall- Düsen ein deutlich höherer Druck nötig ist, als bei Vollstrahldüsen. Damit lassen sich mit der Vollstrahldüse z.B. teure Pumpen, die mehr
BrennstoffVordruck liefern können, oder Rohrleitungssysteme mit hohen Druckstufen vermeiden.
Die Vollstrahldüse kann als eine in dem Aufsatz verlaufende Bohrung ausgestaltet sein.
Die als Vollstrahldüsen ausgebildeten Flüssigbrennstoffdüsen weisen erfindungsgemäß ein Länge zu Durchmesser Verhältnis von mindestens 1,5 auf. Erfindungsgemäß wird dadurch ein aus der Düse austretender Flüssigbrennstoffstrahl bereitgestellt, der sich mit der durch die Drallschaufeln verdrallten Luft optimal mischt. Das Länge zu Durchmesser Verhältnis von mindestens 1,5 gewährleistet, dass beispielsweise eine
Dampfblasenbildung in dem Flüssigbrennstoffstrahl sicher vermieden und ein ausreichend niedriges Turbulenzniveau im Strahl eingehalten wird. Auch wird hierdurch eine
ausreichende Eindringtiefe des BrennstoffStrahls
gewährleistet und ein gutes Mischungsverhalten des Strahls mit der vorbeiströmenden Luft. Vorteilhafter Weise ist das
Länge zu Durchmesser Verhältnis in einem Bereich von 6 bis 14 gewählt. Ein von einer Vollstrahldüse mit diesem Länge zu Durchmesser Verhältnis erzeugter Flüssigbrennstoffstrahl verhält sich besonders optimal hinsichtlich Eindringtiefe und Vermischungseigenschaften.
Es kann sowohl in den Hauptbrennern (welche auch mit
Hauptdrallerzeugern bezeichnet werden können) als auch in dem Pilotbrenner jeweils mindestens eine derartige Vollstrahldüse in dem Aufsatz angeordnet sein. Der an der Lanze angeordnete Aufsatz kann ein gegenüber der Lanze verschiedenes Bauteil sein. Der Aufsatz könnte aber auch mehrstückig oder mit der Lanze zusammen einstückig ausgebildet sein. Für die Erfindung ist es wichtig, das Gesamtkonzept des
Verbrennungssystems bestehend aus einem zentralen
Pilotbrenner mit Pilotkonus und den um den Pilotbrenner angeordneten Hauptbrennern zu betrachten. Prinzipiell kann die Eindringtiefe des Brennstoffes durch Anpassung des
Düsendurchmessers gezielt variiert werden, um ein
vorteilhaftes radiales Brennstoffprofil zu erzielen. Das Zusammenspiel mit dem zentralen Pilotbrenner erfordert darüber hinaus die Optimierung der Brennstoff- und
Tropfengrößenverteilung vor allem in Abhängigkeit der
Relativausrichtung der Einspritzposition zum Pilotkonus, um somit die Zündung des Brennstoff-/Luftgemisches mit einer vorteilhaften Zeitverzögerung einzustellen. Diese
Zeitverzögerung zwischen Eindüsposition und der Verbrennung des Brennstoffes ist maßgeblich für die Ausbildung thermoakustischer Rückkopplungen verantwortlich, aus welchen Brennkammerpulsationen entstehen können.
Neben dem radialen Brennstoffprofil sind hierbei die lokalen Tropfengrößenverteilungen und Luft/BrennstoffVerhältnisse aber auch die axiale Einspritzposition die
Haupteinflussparameter die in Abhängigkeit der lokalen
Strömungsbedingungen der Verbrennungsluft anzupassen sind. Es wird erfindungsgemäß mittels der geeignet ausgestalteten Vollstrahldüsen somit eine Optimierung der Brennstoff- und Tropfengrößenverteilung in Umfangsrichtung erwirkt, um die Zündung der des Brennstoff-/Luftgemisches bei einer
vorteilhaften Zeitverzögerung zu erreichen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass der Aufsatz eine Mittelaufsatzachse, und die mindestens eine Vollstrahldüse eine Mittelachse umfasst und die
mindestens eine Vollstrahldüse in dem Aufsatz so angeordnet ist, dass die Mittelachse der mindestens einen Vollstrahldüse einen Winkel von 90° Grad zu der Mittelaufsatzachse des
Aufsatzes aufweist.
Die Mittelachse der Vollstrahldüse verläuft in Längsrichtung der Vollstrahldüse. Gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Brennstoff im Wesentlichen quer zur
Strömungsrichtung der Luft eingedüst, wodurch eine besonders hohe Eindringtiefe erreicht wird. Dies ermöglicht eine günstige Durchmischung mit der vorbeiströmenden Luft. Es kann auch vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Aufsatz eine Mittelaufsatzachse umfasst, die mindestens eine
Vollstrahldüse eine Mittelachse umfasst und die mindestens eine Vollstrahldüse in dem Aufsatz so angeordnet ist, dass die Mittelachse der mindestens einen Vollstrahldüse einen Winkel zwischen 90°+/-30° Grad zu der Mittelaufsatzachse des Aufsatzes aufweist. Die Winkelangabe bezieht sich auf die Neigung der Mittelachse in Richtung der Mittelaufsatzachse . Der Winkelbereich ist derart gewählt, dass sich durch Neigung der Mittelachse der mindestens einen Vollstrahldüse eine Variation der
Eindringtiefe einstellen lässt bei im Wesentlichen gleicher Tröpfchengrößenverteilung und Einspritzmenge des Brennstoffs. Dies ermöglicht die Abstimmung des radialen Brennstoffprofils in Bezug auf die gesamte Brenneranordnung, insbesondere des radialen Brennstoffprofils eines Hauptbrenners in Bezug auf den Pilotbrenner.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass der Aufsatz eine Aufsatzoberfläche aufweist und die mindestens eine Vollstrahldüse eine Mittelachse umfasst, und die mindestens eine Vollstrahldüse in dem Aufsatz so angeordnet ist, dass die Mittelachse der mindestens einen Vollstrahldüse senkrecht zu dieser Aufsatzoberfläche ist.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht für einen zu einer Aufsatzspitze hin konisch zulaufenden Bereich des Aufsatzes eine Eindüsung des FlüssigbrennstoffStrahls quer zur Strömungsrichtung, wodurch für in diesem Bereich des Aufsatzes angeordnete Vollstrahldüsen eine größtmögliche Eindringtiefe des Brennstoffs ermöglicht wird.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass der
Aufsatz eine Aufsatzoberfläche aufweist und die mindestens eine Vollstrahldüse eine Mittelachse umfasst, und die
mindestens eine Vollstrahldüse in dem Aufsatz so angeordnet ist, dass die Mittelachse der mindestens einen Vollstrahldüse mit der Oberflächennormalen der Aufsatzoberfläche einen
Winkel von -10 Grad bis + 10 Grad einschließt.
Die Oberflächennormale verläuft senkrecht zur
Ausatzoberfläche und ist jeweils im Bereich des Schnittpunkts von Mittelachse und Ausatzoberfläche zu betrachten. Ausgehend von der Oberflächennormalen kann die Mittelachse hierzu sowohl in Richtung der Mittelaufsatzachse als auch in Umfangsrichtung (Azimutalwinkel) geneigt verlaufen. Der angegebenen Winkelbereich von -10 Grad bis + 10 Grad für die Neigung der Mittelachse gewährleistet eine hohe Eindringtiefe des BrennstoffStrahls ohne die Tröpfchengrößenverteilung oder die eingedüste Brennstoffmenge zur verändern. Dies ermöglicht eine Einstellung des um die Lanze zu erzeugenden
Brennstoffprofils sowohl in radialer als auch in
Umfangsrichtung der Lanze. Hierdurch lassen sich die
Brennstoffprofile der einzelnen Hauptbrenner in Bezug auf die gesamte Brenneranordnung aufeinander abstimmen.
Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass für jeden der Hauptbrenner acht bis zwölf Vollstrahldüsen mit einem
Durchmesser vorgesehen sind, wobei der Durchmesser zwischen 0,55mm- 0,8mm ist.
Die Anzahl von acht bis zwölf Vollstrahldüsen ist bevorzugt. Auch kann eine Anzahl von 6 bis 16 Vollstrahldüsen je
Hauptbrenner als vorteilhaft bezeichnet werden. Auch kann eine Anzahl von 8 bis 20 Vollstrahldüsen als vorteilhaft angesehen werden.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass
Vollstrahldüsen mit einem Durchmesser zwischen 0,6mm-0,7mm vorgesehen sind.
Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass
Vollstrahldüsen mit einem Durchmesser zwischen 0 , 55mm-0 , 65mm vorgesehen sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass Vollstrahldüsen mit einem Durchmesser zwischen 0,7mm-0,8mm vorgesehen sind. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei wenigstens einem der Hauptbrenner Vollstrahldüsen entlang wenigstens einer um den Aufsatz herum verlaufenden Umfangslinie angeordnet sind. Die Umfangslinie bedarf hierbei keiner materiellen Realisation, sondern dient lediglich der Beschreibung der Anordnung der Vollstrahldüsen. Die wenigstens eine
Umfangslinie kann beispielsweise eben und geschlossen um die Lanze herum verlaufen. Beispielsweise kann die Umfangslinie ringförmig und senkrecht zur Mittelaufsatzachse verlaufen. Durch Variation der Düsenanordnung und des Düsendurchmessers in Umfangsrichtung lassen sich zur Unterdrückung von
Druckpulsationen geeignete Brennstoffprofile erzeugen.
Für die Erfindung ist es wichtig, das Gesamtkonzept des Verbrennungssystems bestehend aus einem zentralen
Pilotbrenner mit Pilotkonus und den um den Pilotbrenner angeordneten Hauptbrennern zu betrachten. Das Zusammenspiel mit dem zentralen Pilotbrenner erfordert die Optimierung der Brennstoff- und Tropfengrößenverteilung vor allem in
Abhängigkeit der Relativausrichtung der Einspritzposition zum Pilotkonus, um somit die Zündung des Brennstoff- /Luftgemisches mit einer vorteilhaften Zeitverzögerung einzustellen .
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass bei wenigstens einem der Hauptbrenner auf der dem Pilotbrenner zugewandten Seite des Aufsatzes mehr Vollstrahldüsen
angeordnet sind, als auf der dem Pilotbrenner abgewandten Seite des Aufsatzes.
Insbesondere gilt es für die beiden Sonderfälle - Eindüsposition in Richtung der Pilotströmung (welche auch mit Pilotkonusströmung bezeichnet werden kann) und in entgegen gesetzter Richtung zur Brennkammeraußenwand hin - optimale Bedingungen einzustellen. Da im ersten Fall die
Gemischbildung und der Zerstäubungsmechanismus hervorgerufen durch starke Sterströmungen andersartig verläuft als im zweiten Fall, sollte dies bei der Einstellung des
Brennstoffprofils berücksichtigt werden. Durch Erhöhung der Anzahl der Vollstrahldüsen in Richtung Pilotbrenner lässt sich bei gleichem radialen
Brennstoffprofil und somit identischer Eindringtiefe eine höhere Brennstoffkonzentration in Richtung Pilotbrenner erzeugen. Hierdurch lässt sich die Flammposition einstellen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann bei einem oder mehreren der Hauptbrenner realisiert sein. Beispielsweise bei jedem zweiten der um den Pilotbrenner herum angeordneten Hauptbrennern .
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass entlang wenigstens einer Umfangslinie die Anzahldichte der Vollstrahldüsen in Umfangsrichtung variiert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung kann die Umfangslinie ringförmig und senkrecht zur Mittelaufsatzachse verlaufen, wobei die entlang der Umfangslinie angeordneten Vollstrahldüsen alle einen gleichen Durchmesser aufweisen. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel der Weiterbildung steigt die Anzahldichte der Vollstrahldüsen entlang der Umfangslinie in Richtung Pilotbrenner an. Dadurch kann bei gleichem radialem
Brennstoffprofil eine höhere Brennstoffkonzentration in
Richtung Pilotbrenner erzeugt werden.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, wenn entlang wenigstens einer Umfangslinie Vollstrahldüsen derart
angeordnet sind, dass eine Neigung der Mittelachsen der
Vollstrahldüsen in Richtung der Mittelaufsatzachse in
Umfangsrichtung variiert.
Dies ermöglicht eine umfangsgerichtete Variation der
Eindringtiefe. Die Neigungswinkel in Richtung der
Mittelaufsatzachse können beispielsweise zwischen 90 +-20 Grad gewählt werden, wobei sich die Winkelangabe auf den Winkel zwischen der in Richtung der Mittelaufsatzachse geneigten Mittelachse und der Mittelaufsatzachse bezieht. Es sind somit auch stumpfe Anstellwinkel möglich. In dem genannten Winkelbereich kann eine umfangsgerichtete Variation der Eindringtiefe unabhängig von der Tropfengrößenverteilung und der Einspritzmenge erreicht werden. Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Mittelachsen der entlang der Umfangslinie angeordneten Vollstrahldüsen alternierend ausgerichtet sind, wobei die Mittelachsen abwechselnd senkrecht zur Mittelaufsatzachse verlaufen und hiervon abweichend um höchstens 20 Grad in Richtung der Mittelaufsatzachse geneigt sind.
Mit anderen Worten verläuft die Mittelachse jeder zweiten Vollstrahldüse auf der Umfangslinie senkrecht zur
Mittelaufsatzlinie und die Mittelachse der dazwischen
angeordneten Vollstrahldüse ist jeweils in Richtung der Mittelaufsatzachse geneigt. Beispielsweise von der
Oberflächennormalen aus um 10 Grad in Richtung
Mittelaufsatzachse in Strömungsrichtung. Die Umfangslinie kann beispielsweise senkrecht zur
Mittelaufsatzachse ringförmig um die Lanze herum verlaufen.
Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass entlang
wenigstens einer Umfangslinie Vollstrahldüsen derart
angeordnet sind, dass die Mittelachse wenigstens einer
Vollstrahldüse ausgehend von einer Position senkrecht zur Mittelaufsatzachse eine Neigung in Umfangsrichtung aufweist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht alternativ oder zusätzlich zu der Neigung der Mittelachse in Richtung der Mittelaufsatzachse eine Neigung in Umfangsrichtung
(Azimutwinkel) . Dies ermöglicht es, die Interaktion des Brennstoff-Vollstrahles mit der Drallströmung hinsichtlich der Zerstäubung einzustellen. Über einen begrenzten Bereich kann dabei weitestgehend eine isolierte Anpassung der
Tropfengrößenverteilung erreicht werden, ohne dass eine wesentliche Änderung der radialen Eindringtiefe hervorgerufen wird. Diese azimutale Anstellung der Mittelachse der wenigstens einen Vollstrahldüse kann beispielsweise für alle entlang der Umfangslinie angeordneten Vollstrahldüsen gleich gewählt werden. Der azimutale Neigungswinkel der Mittelachsen könnte aber auch beispielsweise als Funktion des Umfanges gewählt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verläuft die
Umfangslinie senkrecht zur Mittelaufsatzachse ringförmig um die Lanze, wobei die Vollstrahlsdüsen entlang der
Umfangslinie einen gleichen Durchmesser aufweisen. Die
Mittelachsen der Vollstrahldüsen verlaufen alternierend, wobei die Mittelachse jeder zweiten Vollstrahldüse senkrecht zur Aufsatzoberfläche verläuft und die Mittelachse der dazwischen angeordneten Vollstrahldüse einen Azimutwinkel von 20 Grad zur Oberflächennormalen aufweist.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die
Vollstrahldüsen entlang wenigstens einer Umfangslinie
unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Durch die unterschiedlichen Durchmesser ergeben sich
unterschiedliche Eindringtiefen des Brennstoffs in
Umfangsrichtung . Dies ermöglicht eine Anpassung des radialen Brennstoffprofils eines Hauptbrenners in Bezug auf die gesamte Brenneranordnung.
Vorteilhafter Weise kann weiter vorgesehen sein, dass die Vollstrahldüsen entlang wenigstens einer Umfangslinie einen gleichen Durchmesser aufweisen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Vollstrahldüsen wenigstens entlang zweier Umfangslinien angeordnet sind.
Eine mindestens zweireihige Anordnung der Vollstrahldüsen ermöglicht eine deutlich größere Variation der
Brennstoffprofile als mit einreihiger Anordnung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
verlaufen die wenigstens zwei Umfangslinien an unterschiedlichen axialen Positionen ringförmig und senkrecht zur Mittelaufsatzachse um die Lanze herum.
Entlang der beiden Umfangslinien kann eine gleich große oder unterschiedliche Anzahl an Vollstrahldüsen angeordnet sein. Beispielsweise können 4 bis 10 Düsen je Umfangslinie
angeordnet sein. Durch die mindestens doppelte Anordnung der Umfangslinien lässt sich eine verbesserte Zerstäubung des Brennstoffs erreichen. Zusätzlich bietet die Anordnung der Vollstrahldüsen in zwei axialen Ebenen die Möglichkeit
Brennstoff an der gleichen Umfangsposition radial
gleichmäßiger zu verteilen, indem an zwei axialen Positionen unterschiedlich tief in die gleiche Stromlinie der
vorbeiströmenden Luft eingedüst wird.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die entlang einer stromauf liegenden Umfangslinie angeordneten Vollstrahldüsen einen größeren Durchmesser aufweisen als die entlang einer stromab liegenden Umfangslinie angeordneten Vollstrahldüsen.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft, wenn eine gleichmäßige radiale Verteilung erreicht werden soll. Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die entlang einer stromauf liegenden Umfangslinie angeordneten Vollstrahldüsen einen kleineren Durchmesser aufweisen als die entlang einer stromab liegenden Umfangslinie angeordneten Vollstrahldüsen.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft, wenn eine schmale radiale Verteilung erreicht werden soll.
Vorteilhafter Weise kann weiter vorgesehen sein, dass entlang der stromab liegenden Umfangslinie angeordneten
Vollstrahldüsen und entlang der stromauf liegenden
Umfangslinie angeordnete Vollstrahldüsen auf gemeinsamen Stromlinien angeordnet sind, wobei bei Durchströmung der Drallschaufeln mit Luft diese entlang der Stromlinien
verdrallbar ist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft, um eine gleichmäßige radiale Brennstoff erteilung zu erreichen, wenn insbesondere der von den stromab angeordneten Vollstrahldüsen eingedüste Brennstoff eine kleinere oder deutlich größere Eindringtiefe hat als der von den stromauf angeordneten
Vollstrahldüsen eingedüste Brennstoff. Insbesondere eine kleinere Eindringtiefe wird als vorteilhaft angesehen.
Die Ausgestaltung ermöglicht aber auch eine Erzielung einer engen radialen Brennstoffverteilung, wobei der von stromab angeordneten Vollstrahldüsen eingedüste Brennstoff an die gleiche radiale Position eingedüst wird, wie der von stromauf angeordneten Vollstrahldüsen eingedüste Brennstoff. Die radiale Position wird dabei so gewählt, dass die Flamme an einem Punkt stabilisiert, dessen zugehörige Zeitverzögerung nicht in dem Verbrennungssystem anregbar ist. Vorteilhafter Weise kann weiter vorgesehen sein, dass entlang der stromab liegenden Umfangslinie angeordnete
Vollstrahldüsen und entlang der stromauf liegenden
Umfangslinie angeordnete Vollstrahldüsen derart zueinander versetzt angeordnet sind, dass bei Durchströmung der
Drallschaufeln mit Luft diese entlang von Stromlinie
verdrallbar ist, auf welchen nur jeweils eine der
Vollstrahldüsen angeordnet ist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ist insbesondere
vorteilhaft, um eine gleichmäßige Umfangsverteilung des
Brennstoffprofils zu erreichen. Sie kann beispielsweise mit einer schmalen oder einer gleichmäßigen radialen und axialen Verteilung kombiniert werden. Insbesondere als vorteilhaft wird eine gleichmäßige radiale und gleichmäßige axiale
Verteilung angesehen.
Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass entlang der stromab liegenden Umfangslinie angeordnete Vollstrahldüsen Brennstoff an die gleiche radiale Position eindüsen wie entlang der stromauf liegenden Umfangslinie angeordnete
Vollstrahldüsen. Die radiale Position wird dabei so gewählt, dass die Flamme an einem Punkt stabilisiert, dessen zugehörige
Zeitverzögerung nicht in dem Verbrennungssystem anregbar ist.
Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Vollstrahldüsen entlang wenigstens einer helixförmigen Umfangslinie
angeordnet sind.
Zusätzlich zu den dargestellten umfangsgerichteten und axialen Variationen der Einspritzführung durch die
Vollstrahldüsen, durch die eine Optimierung der Brennstoff- und Tropfengrößenverteilung in Umfangs- Axial- und
Radialrichtung ermöglicht ist, kann darüber hinaus durch die zusätzlich helixale Anordnung der Vollstrahldüsen eine zusätzliche Verbreiterung des Zeitverzögerungsspektrums erreicht werden.
Erfolgt die Eindüsung des Brennstoffs beispielsweise entlang einer einzigen helixförmigen Umfangslinie und verläuft diese Umfangslinie entlang einer Strömungslinie des verdrallten Luftstromes, dann lässt sich bei gleichen Durchmessern der Vollstrahldüsen ein gleichmäßiges radiales Brennstoffprofil erzielen .
Diese Ausgestaltung kann von Vorteil sein, wenn eine
alternierende umfangsgerichtete Brennstoffverteilung bei möglichst großer Verschmierung des Zeitverzögerungsspektrums benötigt wird. Die Anordnung von unterschiedlichen
Vollstrahl-Düsendurchmessern erlaubt dabei die Einstellung verschiedener radialer Brennstoffprofile, wobei gleichmäßige radiale Profile als vorteilhaft betrachtet werden.
Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Durchmesser der entlang der wenigstens einen helixförmigen Umfangslinie angeordneten Vollstrahldüsen derart ausgebildet sind, dass die Durchmesser in Strömungsrichtung ansteigen.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft, wenn eine Homogenisierung des radialen Profils durch Anreicherung des achsennahen Bereichs erfolgen soll.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die
Durchmesser der entlang der wenigstens einen helixförmigen Umfangslinie angeordneten Vollstrahldüsen derart ausgebildet sind, dass die Durchmesser entgegengesetzt zur
Strömungsrichtung ansteigen.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ist dann vorteilhaft, wenn eine schmale radiale Brennstoffverteilung bevorzugt wird.
Die helixförmige Umfangslinie kann gemäß einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung nicht entlang einer Stromlinie verlaufen. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine gleichmäßige umfangsgerichtete Brennstoffverteilung, wobei die Durchmesser der entlang der Umfangslinie angeordneten Vollstrahldüsen in Strömungsrichtung ansteigen oder absteigen können, je nach gewünschtem radialen Brennstoffprofil . Auch kann der
Neigungswinkel der Mittelachse der Vollstrahldüsen in
Strömungsrichtung zur Mittelaufsatzachse hin und/oder in Umfangsrichtung entlang der helixförmigen Umfangslinie variiert werden, um die Interaktion der Drallströmung der Luft mit dem Brennstoff-Vollstrahl hinsichtlich Zerstäubung in Abhängigkeit von der Düsenposition eingestellt werden. Weiter kann vorteilhaft angesehen werden, dass die
Vollstrahldüsen entlang zweier helixförmiger Umfangslinien angeordnet sind.
Dies ist vor allem für kurze Aufsätze vorteilhaft, wenn eine möglichst große axiale Verteilung der Düsenanordnung erzielt werden soll. Die Doppelhelix kann neben einer parallelen Anordnung auch antiparallel verlaufen, wodurch gleichmäßigere Umfangsverteilungen erreicht werden können. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung ist zur umfangsgerichteten Anreicherung der
Brennstoffkonzentration vorgesehen, dass die Vollstrahldüsen entlang einer helixförmigen Umfangslinie angeordnet sind, wobei die helixförmige Umfangslinie sich teilweise überlappt. Die Durchmesser der Vollstrahldüsen können hierbei alle gleich groß gewählt sein. Die Anreicherung der
Brennstoffkonzentration kann der Anreicherung der
Scherströmung zwischen Pilotbrenner und einem Hauptbrenner dienen .
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die entlang einer Umfangslinie angeordneten
Vollstrahldüsen Abstände gegeneinander und Durchmesser aufweisen, wobei sich deren Abfolge entlang der Umfangslinie wiederholt .
Die entlang der Umfangslinie angeordneten Vollstrahldüsen können regelmäßige Abstände untereinander aufweisen und alle den gleichen Durchmesser aufweisen. Die Abstände und/oder die Durchmesser können aber auch in regelmäßiger Abfolge
variieren. Dies ermöglicht eine zusätzliche Einstellung des radialen Brennstoffprofils . Die radiale Brennstoffverteilung ist entscheidend für die thermoakustische Stabilität, da durch sie die Verzugszeit zwischen Eindüsung und der
Verbrennung festgelegt wird. Die Verzugszeit wiederum
bestimmt, welche Brennkammerfrequenzen angeregt werden können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung lässt sich eine unabhängige
Variation der Eindringtiefe und der Verteilung des
Brennstoffes erreichen durch eine Abfolge gemischter
Durchmesser der Vollstrahldüsen entlang der Umfangslinie. Es können beispielsweise zwei unterschiedliche Durchmesser in regelmäßiger Abfolge gemischt werden oder mehrere. Durch Wahl der Größenverhältnisse der Vollstrahldüsen-Durchmesser lässt sich der radiale Bereich einstellen, in welchem sich die Brennstoffverteilung der unterschiedlichen Düsendurchmesser überlagert. Der Grad der Überschneidung kann zusätzlich durch Wahl der Umfangsposition der Vollstrahldüsen, insbesondere der gegenseitigen Abstände, eingestellt werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zur Erzeugung eines Brennstoffprofils mit einer ringförmige Zone einer ersten Brennstoffverteilung und einer ringförmige Zone einer zweiten Brennstoffverteilung entlang der Umfangslinie zwischen jeweils zwei Vollstrahldüsen mit gleichem
Durchmesser eine Vollstrahldüse mit kleinerem Durchmesser angeordnet .
Es können beispielsweise gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorteilhaften Ausgestaltung 8 bis 16 Vollstrahldüsen auf der Lanze vorgesehen sein. Für die kleineren Vollstrahldüsen kann ein Durchmesser zwischen 0.5mm-0.7mm und für die größeren Vollstrahldüsen ein Durchmesser zwischen 0.6mm-0.8mm gewählt werden . Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können sich die beiden Zonen überlappen, beispielsweise indem die Vollstrahldüse mit dem kleineren Durchmesser näher zu einer der beiden Vollstrahldüsen mit größerem Durchmesser
angeordnet ist.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die entlang wenigstens einer Umfangslinie angeordneten
Vollstrahldüsen derart ausgebildet sind, dass ein mittels der Düsen eingespritzter Brennstoff eine radiale
Brennstoffverteilung um die Mittelaufsatzachse aufweist, wobei die Brennstoffverteilung eine ringförmige Zone einer ersten Brennstoffverteilung und eine ringförmige Zone einer zweiten Brennstoffverteilung umfasst. Die vorteilhafte Brennstoffverteilung kann durch Variation der Abstände, der Durchmesser, der Neigungswinkel und/oder des Verlaufs der Umfangslinie erzeugt werden. Wie bereits oben ausgeführt lässt sich ein derartiges Brennstoffprofil mittels einer ringförmigen, senkrecht zur Mittelaufsatzachse verlaufenden Umfangslinie erzeugen, entlang derer voneinander gleich beabstandete Vollstrahldüsen angeordnet sind, deren Durchmesser abwechselnd zwei voneinander unterschiedliche Größen aufweisen.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die ringförmige Zone einer ersten Brennstoffverteilung und die ringförmige Zone einer zweiten Brennstoffverteilung einander überlappen.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die ringförmige Zone einer ersten Brennstoffverteilung und die ringförmige Zone einer zweiten Brennstoffverteilung einen Abstand voneinander aufweisen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher be- schrieben. Die Merkmale der Ausführungsbeispiele können hier ¬ bei einzeln oder in Kombination miteinander vorteilhaft sein.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen
Hauptbrenner der erfindungsgemäßen Brenneranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Aufsatz 13 des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels in perspektivischer Ansicht,
Fig.3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen
Hauptbrenner der erfindungsgemäßen Brenneranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig.4 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen
Hauptbrenner der erfindungsgemäßen Brenneranordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, Fig.5 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung des in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel , zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Hauptbrenner der erfindungsgemäßen Brenneranordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, zeigt einen Querschnitt des in Fig.6 dargestellten Aufsatzes , zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung des in Fig.6 dargestellten Ausführungsbeispiels , zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Hauptbrenner der erfindungsgemäßen Brenneranordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Hauptbrenner der erfindungsgemäßen Brenneranordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel,
Fig.11 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein
radiales Brennstoffprofil , welches mittels des in Figur 10 dargestellten Hauptbrenners erzeugbar ist, und
Fig.12 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße
Brenneranordnung in perspektivischer Ansicht. Fig. 1 zeigt ein Detail einer erfindungsgemäßen
Brenneranordnung im Bereich eines Hauptbrenners 107. In dem Gehäuse 12 des Hauptbrenners 107 sind um die Lanze herum Drallschaufeln 17 angeordnet. Die Drallschaufeln 17 sind entlang des Umfanges der Lanze in dem Gehäuse 12 angeordnet. Durch die Drallschaufeln 17 wird ein Verdichterluftstrom 15 in den zu einer Brennkammer führenden Teil des Brenners 107 geleitet. Die Luft wird durch die Drallschaufeln 17 in eine Drallbewegung versetzt. Die Lanze umfasst zudem einen Brennstoffkanal 16. Der Brenner 107 umfasst weiterhin einen an der zu einer Brennkammer hinführenden Seite einen Aufsatz 13. Der Aufsatz 13 kann z.B. mit der Lanze verschweißt oder verschraubt sein. Die Brennstoffdüsen sind in dem Aufsatz 13 vorzugsweise stromab der Drallschaufeln 17 angeordnet und sind dabei strömungstechnisch mit dem Brennstoffkanal 16, hier als Ölkanal dargestellt, verbunden. Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Brenneranordnung acht solche
Hauptbrenner 107 kreisrund angeordnet (siehe Figur 12) . Dabei werden die Hauptbrenner 107 um einen (siehe Figur 12)
Pilotbrenner mit Pilotkonus angeordnet.
Bisherige im Stand der Technik eingesetzte Druck-Drall-Düsen weisen hohe Druckpulsationen auf. Gerade im Grundlastbetrieb treten hier jedoch große Probleme auf. Dies wird mithilfe der Erfindung nun vermieden.
Daher sind die mehreren Brennstoffdüsen erfindungsgemäß als Vollstrahldüsen 1 ausgestaltet. Die Ausgestaltung der Düse als Vollstrahldüse 1, die Vollstrahldüsengröße und auch - anordnung ermöglichen es dabei die Eindringtiefe des
Brennstoffes so einzustellen, dass ein vorteilhaftes
Brennstoffprofil entsteht. Als Parameter stehen dabei die Durchmesser der Vollstrahldüsen 1 und die Anzahl der
Vollstrahldüsen 1 zur Verfügung. Im Zusammenspiel mit dem zentralen Pilotbrenner wird die Brennstoffverteilung dabei so eingestellt, dass die Zündung des Brennstoff-Luftgemisches mit einer vorteilhaften Zeitverzögerung geschieht. Die
Zeitverzögerung zwischen der Eindüsung und der Verbrennung des Brennstoffes ist maßgeblich für die Ausbildung
thermoakustischer Rückkoppelungsschleifen, aus welchen
Brennkammerpulsationen entstehen können. Die Vollstrahldüsen 1 weisen eine Länge auf, wobei das Länge zu Durchmesser
Verhältnis mindestens 1,5 ist, um eine gute Durchmischung zu erzielen. Dadurch ist nämlich die Divergenz des Vollstrahles klein genug, so dass es nicht zu einem unerwünschten
Ausschleudern von Tropfen kommt. Durch den Einsatz von Vollstrahldüsen 1 kann somit die
Einstellung des Brennstoffprofils , insbesondere der radialen Brennstoffverteilung sehr effektiv verändert werden.
Gegenüber einer Druck-Drall-Düse hat die Vollstrahldüse 1 den Vorteil, dass ein höherer BrennstoffVordruck vor allem in einer größeren Eindringtiefe umgesetzt wird. Bei den Druck- Drall-Düsen des Stands der Technik werden durch einen höheren Vordruck kleinere Tropfen gebildet, die wiederum weniger effektiv eindringen. Daraus folgt, dass für eine erhöhte Eindringtiefe bei Druck-Drall- Düsen ein deutlich höherer
Druck nötig ist, als bei Vollstrahldüsen. Damit lassen sich mit der Vollstrahldüse 1, z.B. teure Pumpen, die mehr
BrennstoffVordruck liefern können, oder Rohrleitungssysteme mit hohen Druckstufen vermeiden.
Die Fig. 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Aufsatz 13 in perspektivischer Ansicht. Die Mittelaufsatzachse des Aufsatzes 13 ist durch die Bezugsziffer 18 gekennzeichnet. Der Aufsatz 13 ist zur Brennkammer hin kegelförmig, spitz zulaufend ausgestaltet. Er umfasst mehrere, im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier, Vollstrahldüsen 1. Die
Vollstrahldüsen 1 sind am äußeren Umfang des Aufsatzes 13 angeordnet. Die Mittelachsen der Vollstrahldüsen 1 sind durch die Bezugsziffer 19 gekennzeichnet. Die Mittelachsen 19 der Vollstrahldüsen 1 weisen zur Mittelaufsatzachse 18 des
Aufsatzes 13 einen Winkel 20 auf. Der Brennstoff tritt entlang der durch die Bezugsziffer 26 gekennzeichneten
Strömungsrichtung durch den Brennstoffkanal 16 in den Aufsatz 13 ein. Der Brennstoff wird dann durch die Vollstrahldüsen 1 in Richtung 25 in den von den Drallschaufeln 17 kommenden
Luftstrom eingedüst. Die Mittelachse 19 der Vollstrahldüsen 1 wird im Wesentlichen senkrecht (90 Grad) zur
Mittelaufsatzachse 18 der Vollstrahldüsen 1 angeordnet. Auch kann die Mittelachse 19 der Düse 1 senkrecht zur
Aufsatzoberfläche sein. Somit wird der Stahl senkrecht in den Luftstrom eingebracht; eine sehr gute Durchmischung ist die Folge. Auch eine Anordnung von 90° +/- 30 °Grad, insbesondere 90° +/-10°Grad, von der Mittelachse 19 der Vollstrahldüsen 1 zur Achse 18 oder zur Aufsatzoberfläche ergibt jedoch eine sehr vorteilhafte Anordnung.
Der Aufsatz 13 umfasst einen zylindrischen 130 und ein zu einer Brennkammer hin konischen zulaufenden Teil 140. Dabei kann der konische Teil 140 einen Konuswinkel von 10-20° Grad aufweisen. Durch diese Ausgestaltung erfolgt an der
Aufsatzspitze kein Abriss der Strömung. Dabei können die Vollstrahldüsen 1 auf dem konischen zulaufenden Teil 140 des Aufsatzes 13 angeordnet sein. Die Position der
Vollstrahldüsen 1 kann sich abhängig von der Selbstzündzeit des Gemisches ändern. Um eine gute Brennstoffverteilung zu erreichen, werden acht bis zwölf Vollstrahldüsen pro Aufsatz 13 bevorzugt eingesetzt (nicht gezeigt) . Vorteilhaft sind auch sechs bis sechzehn Vollstrahldüsen 1 (nicht gezeigt) . Diese sind am Umfang des Aufsatzes 13 gleichmäßig verteilt. Eine gute Brennstoffverteilung ist notwendig, um die
Emissionsgrenzwerte einzuhalten und Rußbildung zu vermeiden. Die Vollstrahldüsen 1 können als Bohrungen in dem Aufsatz 13 ausgebildet sein. Vorteilhaft hinsichtlich der Durchmischung ist insbesondere ein Länge zu Durchmesser Verhältnis von sechs bis vierzehn. Die Länge der Vollstrahldüse sei mit der Bezugsziffer 32 bezeichnet. Der Durchmesser der
Vollstrahldüse mit der Bezugsgröße 33. Bevorzugter
Durchmesser der Vollstrahldüsen 1 sind dabei 0,55-0,8 mm, auch vorteilhaft sind 0,5 -1 mm (nicht gezeigt) .
Insbesondere, ebenfalls nicht gezeigt, sind auch die
Kombinationen von acht Düsen mit einem Durchmesser von 0,7- 0,8 mm, oder von zehn Düsen mit 0,6-0,7 mm Durchmesser und von zwölf Düsen mit 0,55 - 0,65 mm Durchmesser vorteilhaft.
Zudem lässt sich durch die Vollstrahldüsen 1 unproblematisch eine Anpassung an andere thermodynamische Bedingungen, welche z.B. in einer geänderten Luftquerströmungsgeschwindigkeit, Luftdichte oder Brennstoffmassenstrom resultieren,
vollziehen, indem der Durchmesser 33 der Vollstrahldüsen 1 entsprechend angepasst wird. Zusätzlich ist es auch möglich, durch Anpassen des Durchmessers 33 der Vollstrahldüsen 1 ein optimiertes Design für Wasseranteile bereitzustellen. Dies kann z.B. interessant sein, wenn die Emissionsgrenzen, insbesondere für NOx, erhöht werden. Dies passiert etwa in wasserarmen Regionen, wo
Gasturbinen 1 auch für die Süßwasseraufbereitung eingesetzt werden . Die Figur 3 zeigt ein Detail der erfindungsgemäßen
Brenneranordnung im Bereich eines Hauptbrenners 107. Der Hauptbrenner 107 umfasst ein zylinderförmiges Gehäuse 12, in welchem zentral eine Lanze 14 angeordnet ist, die von einem Hauptswirler 10 umfasst ist. Der schematisch dargestellte Hauptswirler 10 weist Drallschaufeln 17 (nicht dargestellt) auf, welche die Lanze 14 am Gehäuse 12 abstützen.
Durch den Hauptswirler 10 strömt ein Verdichterluftstrom 15 in Richtung Brennkammer (nicht dargestellt) . Die Lanze 14 erstreckt sich entlang einer Mittelaufsatzachse 18, an der in Richtung Brennkammer (nicht dargestellt ) ein Aufsatz 13 angeordnet ist. Der Aufsatz 13 weist einen zylindrischen Teil 130 auf und geht in Richtung zur Brennkammer hin in einen konisch zulaufenden Teil 140 über. In dem konisch zulaufenden Teil 140 des Aufsatzes 13 befinden sich durch Kreise
angedeutete Vollstrahldüsen 1, welche entlang einer senkrecht zur Mittelaufsatzachse 18 und ringförmig um die
Mittelaufsatzachse 18 herum verlaufenden Umfangslinie 11 angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die sich zur
Aufsatzoberfläche hin öffnenden Ausgänge der Vollstrahldüsen 1 entlang einer auf der Aufsatzoberfläche verlaufenden
Umfangslinie 11 angeordnet, wobei die Umfangslinie 11 in Umfangsrichtung 22 um den Aufsatz 13 herum verläuft. Von der Umfangslinie 11 ist in der Schnittansicht eine Hälfte zu erkennen. Die Umfangsrichtung 22 verläuft nicht zwangsläufig senkrecht zur Mittelaufsatzachse 18. Wichtig hierbei ist nur, dass die in Umfangsrichtung 22 auf der Aufsatzoberfläche verlaufende Umfangslinie 11 die Mittelaufsatzachse 18
umrundet. Die in der Figur 3 dargestellte Umfangslinie 11 muss keine reale Entsprechung haben, sondern dient nur zur Beschreibung der Vollstrahldüsen-Anordnung. Gemäß dem
dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Brenneranordnung variiert die Anzahldichte der Vollstrahldüsen 1 in Umfangsrichtung 22, da die
Anzahldichte der Vollstrahldüsen 1 oberhalb der
Mittelaufsatzachse 18 größer ist als unterhalb der
Mittelaufsatzachse 18. Zur Erhöhung der
Brennstoffkonzentration zwischen Pilotbrenner (nicht
dargestellt) und Hauptbrenner 107 ist die oberhalb der
Mittelaufsatzachse 18 dargestellte Seite des Aufsatzes 13 dem Pilotbrenner (nicht dargestellt) zugewandt. Die Mittelachsen 19 der Vollstrahldüsen 1 verlaufen gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Aufsatzoberfläche. Das heißt, jede der Mittelachsen 19 verläuft in Richtung einer Oberflächennormalen 23. Zur Verdeutlichung des Begriffs
Oberflächennormale sind willkürlich herausgegriffene
Oberflächennormalen 23a, 23b, 23c in Figur 3 dargestellt, wobei die Oberflächennormale 23b im Ausgangsbereich einer Vollstrahldüse 1 eingezeichnet ist.
Figur 4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Details einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung im Bereich eines Hauptbrenners 107 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Der Aufbau des Hauptbrenners entspricht hierbei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bis auf die Anordnung der Vollstrahldüsen 1. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel sind diese entlang einer ringförmigen und senkrecht zur
Hauptaufsatzlinie 18 verlaufenden Umfangslinie 11 angeordnet. Die Neigung der Mittelachsen 19 der Vollstrahldüsen verläuft hierbei alternierend entlang der Umfangslinie 11. Die
Mittelachse 19 und damit auch die Richtung 25 des
BrennstoffStrahls , in der er die Vollstrahldüse verlässt, verläuft bei einer ersten Vollstrahldüse senkrecht zur
Aufsatzoberfläche und damit in Richtung einer
Oberflächennormalen 23. Die Mittelachse 19 der auf der
Umfangslinie 11 folgenden Vollstrahldüse 1 ist hiervon abweichend um 10 Grad in Richtung der Mittelaufsatzachse 18 in Strömungsrichtung des Verdichterluftstromes 15 geneigt. In diesem Sinne variiert die Neigung der Mittelachsen 19 der Vollstrahldüsen 1 in Umfangsrichtung 22 entlang der
Umfangslinie 11. Der eingezeichnete Winkel φ bezeichnet den Winkel zwischen Mittelachse 19 und Aufsatzoberfläche.
Die Figur 5 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung des in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiels. Dargestellt ist exemplarisch der Winkel φ zwischen Mittelachse 19 und
Aufsatzoberfläche einiger Vollstrahldüsen 1 als Funktion der Umfangsposition entlang der Umfangslinie 11. Der Winkel φ ist mit Anstellwinkel bezeichnet.
Die Figur 6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Hauptbrenners 107 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Der Aufbau des Hauptbrenners 07 entspricht hierbei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bis auf die
Anordnung der Vollstrahldüsen 1. Gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel sind die Vollstrahldüsen 1 entlang einer ringförmigen und senkrecht zur Hauptaufsatzlinie 18
verlaufenden Umfangslinie 11 angeordnet. Die Neigung der Mittelachsen 19 der Vollstrahldüsen verläuft hierbei
alternierend entlang der Umfangslinie 11. Die Mittelachse 19 und damit auch die Richtung 25 des BrennstoffStrahls , in der er die Vollstrahldüse 1 verlässt, verläuft bei einer ersten Vollstrahldüse 1 senkrecht zur Aufsatzoberfläche und damit in Richtung einer Oberflächennormalen 23. Die Mittelachse 19 der auf der Umfangslinie 11 folgenden Vollstrahldüse 1 ist hiervon abweichend um 20 Grad in Umfangsrichtung 22 geneigt. Der Neigungswinkel in Umfangsrichtung 22 kann auch mit
Azimutwinkel bezeichnet werden.
Figur 7 zeigt zur Verdeutlichung des in Figur 6 dargestellten vierten Ausführungsbeispiels einen Querschnitt des Aufsatzes 13 auf axialer Höhe der Umfangslinie 11. Die entlang der Umfangslinie 11 angeordneten Vollstrahldüsen 1 sind durch Kreise verdeutlicht. Mit anderen Worten sind die Öffnungen der Vollstrahldüsen entlang der Umfangslinie 11 angeordnet. Die Mittelachsen 19 der Vollstrahldüsen und damit auch die Richtung 25 des die Vollstrahldüse verlassenden
BrennstoffStrahls verlaufen abwechselnd senkrecht zur
Aufsatzoberfläche und damit in Richtung einer
Oberflächennormalen 23 bzw. hiervon ausgehend um 20 Grad in Umfangsrichtung 22 geneigt. Der Winkel zwischen
Oberflächennormalen 23 und Mittelachse 19 ist mit ψ
bezeichnet . Figur 8 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung des in Figur 6 dargestellten vierten Ausführungsbeispiels. Dargestellt ist exemplarisch der Winkel zwischen Mittelachse 19 und
Oberflächennormalen 23 in Umfangsrichtung (Azimutwinkel ψ) einiger Vollstrahldüsen 1 als Funktion der Umfangsposition entlang der Umfangslinie 11.
Figur 9 zeigt eine schematische Schnittansicht eines
Hauptbrenners 107 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Der Aufbau des Hauptbrenners 107 entspricht hierbei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bis auf die
Anordnung der Vollstrahldüsen 1. Diese sind entlang einer helixförmigen Umfangslinie 11 angeordnet, wobei der
Durchmesser der Vollstrahldüsen 1 entgegengesetzt zur
Strömungsrichtung des Verdichterluftstroms 15 ansteigt. Die bei Durchströmung des Hauptswirlers 10 verdrallte Luft strömt entlang von Stromlinien 27 entlang des Aufsatzes 13 in
Richtung Brennkammer (nicht dargestellt) . Die helixförmige Umfangslinie 11 verläuft hierbei derart, dass die
Vollstrahldüsen 1 auf einer gemeinsamen Stromlinie 27 angeordnet sind.
Figur 10 zeigt eine schematische Schnittansicht eines
Hauptbrenners 107 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel. Der Aufbau des Hauptbrenners 107 entspricht hierbei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bis auf die
Anordnung der Vollstrahldüsen 1. Diese sind entlang einer ringförmigen und senkrecht zur Mittelaufsatzachse
verlaufenden Umfangslinie 11 angeordnet, wobei die Vollstrahldüsen 1 entlang der Umfangslinie 11 Abstände gegeneinander und Durchmesser aufweisen, wobei sich deren Abfolge entlang der Umfangslinie 11 wiederholt. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Vollstrahldüsen 1 voneinander gleich beabstandet, wobei zwischen jeweils zwei Vollstrahldüsen 1 mit gleichem Durchmesser eine
Vollstrahldüse 1 mit kleinerem Durchmesser angeordnet ist. Die Mittelachsen (nicht dargestellt) der Vollstrahldüsen 1 weisen senkrecht zur Mittelaufsatzachse 18 in radialer
Richtung.
Figur 11 zeigt ein mittels der in Figur 10 dargestellten Vollstrahldüsen 1 erzeugbares Brennstoffprofil . Der
eingespritzte Brennstoff erzeugt hierbei eine radiale
Brennstoffverteilung um die Mittelaufsatzachse 18, den
Brennstoffkanal 16 und den Aufsatz 13 herum, wobei die
Brennstoffverteilung eine ringförmige Zone einer ersten
Brennstoffverteilung 28 aus den Vollstrahldüsen mit großem Durchmesser und eine ringförmige Zone einer zweiten
Brennstoffverteilung 29 aus den Vollstrahldüsen mit kleinem Durchmesser umfasst. Die Brennstoffverteilung aus einer einzelnen Vollstrahldüse mit großem Durchmesser ist mit dem Bezugszeichen 30 versehen. Die Brennstoffverteilung aus einer einzelnen Vollstrahldüse mit kleinem Durchmesser ist mit dem Bezugszeichen 31 versehen. Aufgrund der gewählten Abstände zwischen den Vollstrahldüsen 1 und den Größenverhältnissen der Durchmesser überlappen die ringförmige Zone einer ersten Brennstoffverteilung 28 und die ringförmige Zone einer zweiten Brennstoffverteilung 29 einander.
Figur 12 zeigt eine erfindungsgemäße Brenneranordnung 108 mit einem Pilotbrenner 106 mit Pilotkonus 109 und einer Vielzahl um den Pilotbrenner 106 herum angeordneten Hauptbrennern 107. Jeder der Hauptbrenner 107 umfasst ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 12, in welchem zentral eine Lanze angeordnet ist, wobei in Richtung einer Brennkammer (nicht dargestellt ) ein Aufsatz 13 an der Lanze angeordnet ist.
Next Patent: IMPROVED ANTIBODY BINDING AFFINITY LIGANDS