Ein Brenner für fluidische Brennstoffe, wie er insbesondere in einer Gasturbinenanlage eingesetzt wird, ist aus der DE 43 12 810 Al bekannt. Hieraus geht hervor, da Luft durch ein Luftzufuhr-Ringkanalsystem und Brennstoff durch ein wei- teres Ringkanalsystem der Verbrennung zugeführt werden. Dabei wird Brennstoff aus dem Brennstoffkanal in den Luftkanal ein- gedüst, entweder direkt oder aus als Hohlschaufeln ausgebil- deten Drallschaufeln.

Damit soll unter anderem eine möglichst homogene Mischung von Brennstoff und Luft erreicht werden, um eine stickoxidarme Verbrennung zu erzielen. Eine möglichst geringe Stickoxidpro- duktion ist aus Gründen des Umweltschutzes und entsprechenden gesetzlichen Richtlinien für Schadstoffemissionen eine we- sentliche Anforderung an die Verbrennung, insbesondere an die Verbrennung in der Gasturbinenanlage eines Kraftwerks. Die Bildung von Stickoxiden erhöht sich exponentiell mit der Flammentemperatur der Verbrennung. Bei einer inhomogenen Mi- schung von Brennstoff und Luft ergibt sich eine bestimmte Verteilung der Flammentemperaturen im Verbrennungsbereich.

Die Maximaltemperaturen einer solchen Verteilung bestimmen nach dem genannten exponentiellen Zusammenhang von Stickoxid- bildung und Flammentemperatur ma geblich die Menge der gebil- deten Stickoxide. Die Verbrennung eines homogenen Brennstoff-

Luft-Gemisch erzielt demnach bei gleicher mittlerer Flammen- temperatur einen niedrigeren Stickoxidaussto als die Ver- brennung eines inhomogenen Gemisches. Bei der Brennerausfüh- rung der zitierten Druckschrift wird eine räumlich gute Mi- schung von Luft und Brennstoff erzielt.

In der EP 561 591 A2 ist ein Rotationsgitter zur Erzeugung einer turbulenten Strömung für einen Einsatz in einem Bren- ner, insbesondere in einem Vormischbrenner einer Gasturbine, offenbart. Das Rotationsgitter dient dazu, zwei konzentri- sche, gegensinnig rotierende Strömungen zu erzeugen, so da in der inneren Strömung während eines Teillastbetriebes der Gasturbinenanlage eine reduzierte Brennstoffmenge in einer durch die Aufteilung in zwei Strömungen reduzierten Luftmenge verbrannt und somit auch im Teillastbetrieb eine stabile Ver- brennung aufrecht erhalten werden kann. Weiterhin erzeugt das Rotationsgitter direkt an das Rotationsgitter angrenzende Rückströmgebiete, die Verbrennungsgebiete für eine stabile Verbrennung darstellen.

Die EP 619 134 Al offenbart eine Mischkammer zur Mischung von Stoffen, z.B. in der Chemie, Nahrungsmittel- oder Pharmapro- duktion. Die zu mischenden Stoffe werden in getrennten Kanä- len durch einen Wirbelgenerator verwirbelt und dann zusammen- geführt. Der Wirbelgenerator wird durch als längliche Halbpy- ramiden ausgebildete Auslenkelemente gebildet.

In der DE 44 15 916 Al sind ein Verfahren und eine Vorrich- tung zur Verbrennung eines flie fähigen Brennstoffes, insbe- sondere im Brenner einer Gasturbine, beschrieben. Im Luftka- nal des Brenners wird eine turbulenzerzeugende Anordnung ein- gesetzt, so da Verbrennungsluft verwirbelt wird. In die ver- wirbelte Verbrennungsluft wird Brennstoff eingelassen, so da sich eine besonders gute Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft ergibt. Die Verwirbelung wird durch eine An- zahl stumpfer Strömungshindernisse erzielt, insbesondere durch Stäbe oder Scheiben.

Ein als statischer Mischer bezeichnetes Verwirbelungselement ist aus der DE 41 23 161 Al bekannt. Es weist eine Vielzahl von in Bezug zum Durchmesser einer Rohrleitung oder eines Strömungskanals, in der oder den es einsetzbar ist, kleinen Auslenkelementen auf, die gegenüber der Achse des Strömungs- kanals oder der Rohrleitung geneigt sind. Die Neigung der in Reihen ausgerichteten Auslenkelemente ist innerhalb einer Reihe gleichsinnig und von Reihe zu Reihe gegensinnig. Ein solches Verwirbelungselement überdeckt eine einfach zusammen- hängende Fläche, z. B. einen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt. Es dient dazu, eine Strömung eines Mediums durch die Rohrleitung oder den Strömungskanal zu verwirbeln, wo- durch eine gute Durchmischung mit einem in das Medium einge- brachten Stoff erreichbar ist. Vergleichbare, gro e Verwirbe- lungselemente sind auch in der EP 0 634 207 B1 und in der WO 95/26226 Al beschrieben. Das Haupteinsatzgebiet solcher Verwirbelungselemente ist die Stickoxidminderung von Rauchgas durch die Beimischung von Ammoniak in Strömungskanälen von typischerweise einigen Quadratmetern Querschnittsfläche.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner für fluidische Brennstoffe bereitzustellen, der eine gute Mischung von Ver- brennungsluft und Brennstoff bei gleichzeitig allenfalls ge- ringfügiger Beeinträchtigung anderer Parameter der Verbren- nung. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners für fluidische Brennstoffe anzuge- ben. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein Verwirbelungsele- ment zur Erzeugung einer stark turbulenten Luftströmung anzu- gegeben.

Die Lösung der Aufgabe, die auf den Brenner gerichtet ist, erfolgt erfindungsgemä durch einen Brenner für fluidische Brennstoffe, insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbi- nenanlage, mit einem Luftkanal für die Zufuhr von Verbren- nungsluft und einem Brennstoffkanal für die Zufuhr von Brenn-

stoff, wobei ein Verwirbelungselement zur Erzeugung von stark turbulenter Verbrennungsluft und ein Einla von Brennstoff aus dem Brennstoffkanal in den Luftkanal abströmseitig vom Verwirbelungselement vorgesehen sind und wobei das Verwirbe- lungselement so ausgebildet ist, da der durch das Verwirbe- lungselement entstehende Druckverlust kleiner als 5%, insbe- sondere kleiner als 2%, ist.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, da durch die turbulente Strömung der Verbrennungsluft eine besonders gute Mischung von Verbrennungsluft und Brennstoff erreichbar ist, wobei gleichzeitig ein durch das Verwirbelungselement hervorgerufener Druckverlust gering ist. Es wird durch die Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft in der turbulen- ten Strömung eine verbesserte räumliche Homogenität des Gemi- sches erzielt. Darüber hinaus wurde erstmalig die zeitliche Schwankung des Mischungsverhältnisses in umfangreichen Versu- chen ermittelt. Lokal auftretende zeitliche Schwankungen des Mischungsverhältnisses führen, wie auch die räumlichen Inho- mogenitäten, zu einer Verteilung der Flammentemperatur mit den oben ausgeführten nachteiligen Wirkungen auf die Stickoxidemission. Die Ergebnisse der Versuche zeigten, da die erzeugte Brennstoff/Luft-Mischung eine geringe zeitliche Schwankung im Mischungsverhältnis aufweist. Es wird also eine räumlich und zeitlich weitgehend homogene Mischung von Brenn- stoff und Luft und damit eine reduzierte Stickoxidproduktion erreicht. Durch den gleichzeitig nur geringen Druckverlust bleibt der Wirkungsgrad des Brenners nahezu unbeeinträchtigt.

Dies stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber bisher verwendeten Verwirbelungselementen dar, die als stumpfe Strö- mungshindernisse ausgeführt waren. Solche Strömungshinder- nisse haben einen erheblichen Druckverlust zur Folge, so da eine verbesserte Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft durch einen deutlich verminderten Wirkungsgrad des Brenners erkauft werden mu te.

Zur Vermeidung einer Flammenstabilisierung am Verwirbelungs- element erfolgt der Einla des Brennstoffs abströmseitig vom Verwirbelungselement. Damit wird das Verwirbelungselement nur von Verbrennungsluft durchströmt, und die Gefahr einer Ver- brennung im Bereich des Verwirbelungselementes, die dieses beschädigen könnte, ist reduziert.

Vorzugsweise wird das Verwirbelungselement so ausgebildet, da die erzeugte turbulente Strömung der Verbrennungsluft am Verwirbelungselement im wesentlichen keine Gebiete zurück- strömender Verbrennungsluft aufweist. Damit wird erreicht, da kein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch zum Verwirbe- lungselement zurückströmen kann und damit keine Verbrennung am Verwirbelungselement stabilisiert wird, die eine Beschädi- gung des Verwirbelungselementes zur Folge haben könnte.

Weiterhin bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der das Ver- wirbelungselement so ausgebildet ist, da die erzeugbare tur- bulente Strömung der Verbrennungsluft Wirbel mit einem Durch- messer etwa vergleichbar mit der Breite des Luftkanals, ins- besondere mit einem Durchmesser von 20-80% der Breite des Luftkanals, aufweist. Über diese Ausgestaltung wird erreicht, da der Bereich des Brennstoffeinla es vollständig von einem Wirbel überdeckt werden kann und das sich die turbulente Strömung über den Bereich des Brennstoffeinla es hinaus er- streckt, soda eine Mischung sowohl im Wirbel am Brennstoff- einla als auch in der turbulenten Strömung hinter dem Brenn- stoffeinla erfolgt, mit der Wirkung einer besonders intensi- ven Durchmischung.

Bevorzugterma en ist der Brenner so ausgestaltet, da ab- strömseitig vom Verwirbelungselement Drallschaufeln im Luft- kanal angeordnet sind. Hierdurch wird erreicht, da ein Ver- wirbelungselement mit den oben beschriebenen vorteilhaften Auswirkungen auf die Homogenität der Mischung von Brennstoff und Verbrennungsluft in Verbindung mit Drallschaufeln einge-

setzt wird, die günstig auf die Stabilität der Verbrennung einwirken.

Vorzugsweise ist zumindest eine der Drallschaufeln als Hohl- schaufel ausgebildet, aus der Brennstoff einla bar ist. Über diese Ausgestaltung ist es möglich, eine gleichmä ige Ein- düsung von Brennstoff aus einer als Hohlschaufel ausgebilde- ten Drallschaufel mit einer weiter homogenisierenden Wirkung auf das Brennstoff/Luft-Gemisch in Kombination mit den oben erläuterten Vorteilen zu nutzen.

Weiterhin bevorzugt ist die Ausbildung des Brenners als ein Vormisch- oder Hybridbrenner für den Einsatz in Gasturbinen- anlagen, mit einem Luftzufuhrkanal, insbesondere ein sich verjüngender Ringkanal, welcher mindestens drei weitere, ins- besondere konzentrisch zum Luftzufuhrkanal angeordnete Ring- kanäle zur Zuführung von fluidischen Medien umschlie t, wobei zwei dieser Kanäle zur Versorgung eines Pilotbrenners dienen und wobei durch den Pilotbrenner eine Pilotflamme zur Auf- rechterhaltung der Verbrennung erzeugbar ist.

Bevorzugt ist ein Brenner, bei dem das Verwirbelungselement aufweist: a) einen ersten Begrenzungsring mit einer Symmetrieachse, b) einen zweiten, grö eren Begrenzungsring (53), dessen Mit- telpunkt auf der Symmetrieachse liegt, c) eine Verbindungsfläche, die durch die beiden Begrenzungs- ringe aufgespannt ist, d) entlang auf der Verbindungsfläche liegender Kreise, deren jeweiliger Mittelpunkt auf der Symmetrieachse liegt, eine Vielzahl von flächigen Auslenkelementen, die jeweils gegen eine Normale der Verbindungsfläche geneigt sind.

Ein Brenner mit einem solchen Verwirbelungselement weist ei- nen besonders niedrigen, vom Verwirbelungselement hervorgeru- fenen Druckverlust auf. Zudem ist das Verwirbelungselement für einen Einsatz in einem ringförmigen Strömungskanal geeig-

net. Es sind mindestens zwei, vorzugsweise drei Kreise vorge- sehen.

Bevorzugterma en beträgt die Verbindungsfläche weniger als die Hälfte der durch den grö eren Begrenzungsring umschlosse- nen Kreisfläche. Weiterhin bevorzugt ist der Durchmesser des grö eren Begrenzungsringes kleiner als ein Meter, insbeson- dere 40 cm bis 60 cm. Damit ist das Verwirbelungselement für den Einsatz in kleinen Strömungskanälen, wie z.B. Luftkanälen von Gasturbinenbrennern, geeignet.

In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung sind die einem Kreis zugeordneten Auslenkelemente untereinander gleich beab- standet. Damit wird eine über die ganze Verbindungsfläche gleichmä ige Verwirbelung erzielt.

Weiterhin bevorzugt ist, da sich jedes Auslenkelement aus der Verbindungsfläche zu einer Abri kante zur Erzeugung von Wirbeln verjüngt. Vorzugsweise weist es etwa Trapez- oder Dreiecksform auf. Durch diese Ausgestaltung wird eine beson- ders intensive Verwirbelung erreicht.

Bevorzugterma en sind die einem jeweiligen Kreis zugeordneten Auslenkelemente gleichsinnig geneigt. Bevorzugt sind auf ein- ander benachbarten Kreisen angeordnete Auslenkelemente gegen- sinnig geneigt. Diese Anordnung der Auslenkelemente bewirkt, da zusätzlich zur lokal guten Durchmischung durch die Ver- wirbelung eine Homogenisierung über grö ere Bereiche der Strömung erfolgt.

Die Lösung der das Verfahren betreffenden Aufgabe wird erfin- dungsgemä erreicht durch die Angabe eines Verfahrens zum Be- trieb eines Brenners für fluidische Brennstoffe, insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbinenanlage, wobei Verbren- nungsluft in einem Luftkanal und Brennstoff in einem Brenn- stoffkanal der Verbrennung zugeführt wird, wobei die Verbren- nungsluft im Luftkanal durch eine Überführung in eine stark

turbulente Strömung mit einem Druckverlust kleiner als 5%, insbesondere kleiner als 2% verwirbelt und anschlie end Brennstoff aus dem Brennstoffkanal in die verwirbelte Ver- brennungsluft eingelassen wird, so da sich ein verwirbeltes Brennstoff-Luft-Gemisch ergibt.

Dieses Gemisch ist durch die Verwirbelung besonders homogen, was nach den einleitenden Ausführungen und nach den Darlegun- gen der Vorteile der den Brenner betreffenden Erfindung eine stickoxidarme Verbrennung zur Folge hat. Durch den geringen Druckverlust bleibt der Wirkungsgrad des Brenners im wesent- lichen erhalten.

Erfindungsgemä wird die auf ein Verwirbelungselement gerich- tete Aufgabe gelöst durch ein Verwirbelungselement, welches aufweist: a) einen ersten Begrenzungsring mit einer Symmetrieachse, b) einen zweiten, grö eren Begrenzungsring (53), dessen Mit- telpunkt auf der Symmetrieachse liegt, c) eine Verbindungsfläche, die durch die beiden Begrenzungs- ringe aufgespannt ist, d) entlang mindestens dreier auf der Verbindungsfläche lie- gender Kreise, deren jeweiliger Mittelpunkt auf der Symme- trieachse liegt, eine Vielzahl von flächigen Auslenkelemen- ten, die jeweils gegen eine Normale der Verbindungsfläche ge- neigt sind.

Die Vorteile eines solchen Verwirbelungselementes ergeben sich insbesondere bei einer Verwendung zur Verwirbelung von Verbrennungsluft in einem Brenner, entsprechend den obigen Ausführungen.

In der Zeichnung ist zur näheren Erläuterung ein Ausführungs- beispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig 1 einen Längsschnitt durch einen Hybridbrenner, Fig 2 ein Verwirbelungselement in Aufsicht,

Fig 3 ein Verwirbelungselement in Seitenansicht Figur 1 zeigt einen Hybridbrenner 1, der in etwa rotations- symmetrisch bezüglich einer Achse 12 ist. Ein entlang der Achse 12 gerichteter Pilotbrenner 9 mit einem Brennstoff-Zu- fuhrkanal 8 und einem diesen konzentrisch umschlie enden Luftzufuhr-Ringkanal 7 ist konzentrisch umgeben von einem Brennstoff-Ringkanal 3. Dieser Brennstoff-Ringkanal 3 ist un- ten, d.h. teilweise konzentrisch umschlossen von einem Luft- zufuhr-Ringkanal 2. In diesem Luftzufuhr-Ringkanal 2 ist ein - schematisch dargestellter - Kranz von Drallschaufeln 5 ein- gebaut. Mindestens eine dieser Drallschaufeln 5 ist als Hohl- schaufel 5a ausgebildet. Sie weist einen durch mehrere Öff- nungen gebildeten Einla 6 für eine Brennstoffzuführung auf.

Der Brennstoff-Ringkanal 3 mündet in diese Hohlschaufel 5a.

Zuströmseitig vom Drallschaufelkranz 5 ist ein - schematisch dargestelltes - Verwirbelungselement 4 im Luftkanal 2 einge- baut.

Der Hybridbrenner 1 kann über den Pilotbrenner 9 als Diffusi- onsbrenner betrieben werden. Üblicherweise wird er aber als Vormischbrenner eingesetzt, da hei t Brennstoff und Luft werden erst gemischt und dann der Verbrennung zugeführt. Da- bei dient der Pilotbrenner 9 zur Aufrechterhaltung einer Pi- lotflamme, die die Verbrennung während des Vormischbrennerbe- triebes bei einem eventuell wechselnden Brennstoff-Luft-Ver- hältnis stabilisiert. Für die eigentliche Verbrennung werden Verbrennungsluft 10 und Brennstoff 11 im Luftkanal 2 gemischt und anschlie end der Verbrennung zugeführt. Im gezeigten Aus- führungsbeispiel wird dabei der Brennstoff 11 aus dem Brenn- stoffkanal 3 in eine Hohlschaufel 5a des Drallschaufelkranzes 5 geleitet und von dort über den Einla 6 in die Verbren- nungsluft 10 im Luftkanal 2 eingeleitet.

Wie bereits erläutert, kommt es für eine stickoxidarme Ver- brennung wesentlich darauf an, eine möglichst homogene Mi-

schung von Verbrennungsluft 10 und Brennstoff 11 zu errei- chen. Dies wird durch das Verwirbelungselement 4 erreicht, das die Verbrennungsluft 10 in eine turbulente Strömung über- führt. Der in die turbulente Verbrennungsluft 10 eingebrachte Brennstoff 11 wird durch die Verwirbelung besonders gut mit der Verbrennungsluft 10 vermischt. Es wird eine räumlich und zeitlich homogene Mischung von Verbrennungsluft 10 und Brenn- stoff 11 erreicht. Gleichzeitig ist der durch das Verwirbe- lungselement 4 hervorgerufene Druckverlust gering, wodurch der Wirkungsgrad des Brenners 1 kaum beeinträchtigt wird.

In Fig. 2 ist eine Aufsicht auf ein Verwirbelungselement 4 gezeigt. Fig. 3 zeigt mit gleichen Bezugszeichen das gleiche Verwirbelungselement 4 in einer Seitenansicht. Von einem in- neren Begrenzungsring 52 führen gleichverteilt über den Ring- umfang eine Vielzahl von Stegen 54 zu einem äu eren Begren- zungsring 53. Der Mittelpunkt des äu eren Begrenzungsringes 53 liegt auf der Sytnrnmetrieachse 59 des inneren Begrenzungs- ringes 52 und die Stege 54 sind normal auf den inneren Be- grenzungsring 52 gerichtet. Die Verbindungsfläche 56 stellt die Mantelfläche eines Kegelstumpfes zwischen innerem Begren- zungsring 52 und äu erem Begrenzungsring 53 dar. An jedem Steg 54 sind in das Innere des Kegelstumpfes weisende, tra- pezförmige, ebene Auslenkelemente 51 angeordnet. Die breite Seite 51a jedes Auslenkelementes 51 ist mit einem Steg 4 ver- bunden. Die Auslenkelemente 51 sind entlang dreier, zur Sym- metrieachse 59 konzentrischer Kreise 55a, 55b, 55c zueinander gleich beabstandet angeordnet. Die Auslenkelemente 51 sind gegen eine Normale der Verbindungsfläche 56 geneigt, wobei jeweils die Auslenkelemente 51 entlang eines Kreises 55a, 55b, 55c gleichsinnig, von einem Kreis 55a, 55b, 55c zu ei- nem benachbarten Kreis 55a, 55b, 55c gegensinnig geneigt sind.

Eine Durchströmung des Verwirbelungselementes 4 mit Verbren- nungsluft 10, normal zur Verbindungsfläche 56 in das Innere des Kegelstumpfes hat zur Folge, da sich an den Schmalseiten

51b der Auslenkelemente 51 Wirbel 57 bilden. In das strömende Medium eingeleiteter Brennstoff 11 wird durch diese Verwirbe- lung intensiv mit der Verbrennungsluft 10 vermischt. Die Nei- gung der Auslenkelemente 51 prägt der Hauptströmung zudem Se- kundärströmungen 58 auf, die zusätzlich zur lokal guten Durchmischung der Verwirbelung eine Homogenisierung des Gemi- sches über die gesamte Querschnittsfläche eines Luftzufuhr- Ringkanals, in dem das Verwirbelungselement eingebaut ist (s.

Fig 1), ermöglichen. Die Ausgestaltung des Verwirbelungs- elementes 4 hat gleichzeitig zur Folge, da der durch die Verwirbelung hervorgerufene Druckverlust gering ist.