Beschreibung Brenner, Verfahren zum Betrieb eines Brenners und Gasturbine Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem Brennerkanal, in den Verbrennungsluft an einer Lufteinleitungsposition und Brennstoff an einer Brennstoffeinleitungsposition einleitbar sind, wobei die Brennstoffeinleitungsposition stromab der Lufteinleitungsposition liegt und wobei die Verbrennungsluft mit dem Brennstoff im Brennerkanal mischbar und anschließend in eine Verbrennungszone einleitbar sind. Insbesondere ist der Brenner als Gasturbinenbrenner ausgebildet. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Bren- ners sowie eine Gasturbine, insbesondere mit einer Ringbrenn- kammer.

In Verbrennungssystemen wie Gasturbinen, Flugtriebwerken, Ra- ketenmotoren und Heizungsanlagen kann es zu thermoakustisch induzierten Verbrennungsschwingungen kommen. Diese entstehen durch eine Wechselwirkung der Verbrennungsflamme und der da- mit verbundenen Wärmefreisetzung mit akustischen Druckschwan- kungen. Durch eine akustische Anregung kann die Lage der Flamme, die Flammenfrontfläche oder die Gemischzusammenset- zung schwanken, was wiederum zu Schwankungen der Wärmefrei- setzung führt. Bei konstruktiver Phasenlage kann es zu einer positiven Rückkopplung und Verstärkung kommen. Eine so ver- stärkte Verbrennungsschwingung kann zu erheblichen Lärmbela- stungen und Schädigungen durch Vibrationen führen.

Wesentlich beeinflusst werden diese thermoakustisch hervorge- rufenen Instabilitäten durch die akustischen Eigenschaften des Brennraumes und die am Brennraumeintritt und Brennraum- austritt sowie an den Brennkammerwänden vorliegenden Randbe- dingungen. Die akustischen Eigenschaften können durch den Einbau von Helmholtzresonatoren verändert werden.

Die WO 93/10401 AI zeigt eine Einrichtung zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen in einer Brennkammer einer Gas- turbinenanlage. Ein Helmholtzresonator ist mit einer Brenn- stoffzuführleitung strömungstechnisch verbunden. Die akusti- schen Eigenschaften der Zuführleitung bzw. des akustischen Gesamtsystems werden hierdurch so verändert, dass Verbren- nungsschwingungen unterdrückt werden. Es hat sich allerdings gezeigt, dass diese Maßnahme nicht in allen Betriebszuständen ausreicht, da es auch bei einer Unterdrückung von Schwingun- gen in der Brennstoffleitung zu Verbrennungsschwingungen kom- men kann.

Die US-A-6 058 709 schlägt zur Vermeidung von Verbrennungs- schwingungen vor, Brennstoff an axial unterschiedlichen Posi- tionen im Brennkanal eines Brenners einzuleiten. Hierdurch werden hinsichtlich der Ausbildung von Verbrennungsschwingun- gen konstruktive Phasenlagen in der Gemischzusammensetzung durch destruktive überlagert, so dass es insgesamt zu niedri- geren Schwankungen und damit zu einer verringerten Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen kommt. Diese Maß- nahme ist allerdings apparativ im Vergleich zur rein passiven Maßnahme der Verwendung von Helmholtzresonatoren vergleichs- weise aufwendig.

In der EP 0 597 138 AI ist eine Gasturbinen-Brennkammer be- schrieben, die im Bereich der Brenner luftgespülte Helmholtz- resonatoren aufweist. Durch diese Resonatoren wird Schwin- gungsenergie von in der Brennkammer auftretenden Verbren- nungsschwingungen absorbiert und die Verbrennungsschwingungen werden hierdurch gedämpft.

Eine weitere Maßnahme zur Dämpfung von Verbrennungsschwingun- gen ist in der EP 1 004 823 A2 gezeigt. Hier ist ein Helm- holtzresonator unmittelbar mit dem Mischbereich des Brenners verbunden. Es wird betont und auch ausschließlich offenbart, dass der Resonator stromauf der Brennstoffzuführung anzubrin- gen ist, da durch den Resonator im Brenner entstehende und

auch durch die Zuführleitungen hervorgerufene Verbrennungs- schwingungen absorbiert werden sollen.

Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Brenners mit einer besonders geringen Neigung zur Ausbildung von Verbrennungs- schwingungen. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zum Betrieb eines Brenners, durch das effi- zient Verbrennungsschwingungen vermieden werden. Schließlich ist auch Aufgabe der Erfindung die Angabe einer Gasturbine mit besonders geringer Neigung zur Ausbildung von Verbren- nungsschwingungen.

Erfindungsgemäß wird die auf einen Brenner gerichtete Aufgabe gelöst durch Angabe eines Brenners mit einem Brennerkanal, in den Verbrennungsluft an einer Lufteinleitungsposition und Brennstoff an einer Brennstoffeinleitungsposition einleitbar sind, wobei die Brennstoffeinleitungsposition stromab der Lufteinleitungsposition liegt und wobei die Verbrennungsluft mit dem Brennstoff im Brennerkanal mischbar und anschließend in eine Verbrennungszone einleitbar sind, wobei ein Helm- holtzresonator an einer Resonatorposition mit dem Brennerka- nal stromab der Brennstoffeinleitungsposition und stromauf der Verbrennungszone unmittelbar strömungstechnisch so ver- bunden ist, dass eine Kopplung zwischen Luftzahlschwankungen und Verbrennungsschwingungen weitgehend aufgebrochen wird.

Die Luftzahl ist eine in der Verbrennungstechnik wohlbekannte Größe und kennzeichnet proportional die Gemischzusammenset- zung des Gemisches aus Verbrennungsluft und Brennstoff durch das Verhältnis der Konzentrationen.

Erstmalig wird mit der Erfindung der Weg eingeschlagen, eine Verbrennungsschwingung durch einen Helmholtzresonator nicht nur zu dämpfen sondern auch einen wesentlichen Grund für die Entstehung der Verbrennungsschwingung zu unterbinden : Die Schwankungen der Luftzahl. Die Luftzahlschwankung führt durch die zeitlich inhomogene Wärmefreisetzung zu akustischen Im-

pulsen, die nach oben beschriebener Art zu einer Rückkopplung und den Aufbau einer Verbrennungsschwingung führen können. In dem nun der Helmholtzresonator stromab der Brennstoffeinlei- tung angeordnet wird, werden akustische Störungen an der Brennstoffeinleitungsposition und damit Luftzahlschwankungen verringert. Über die reine Absorption von Schwingungsenergie hinaus vermag der Helmholtzresonator an dieser Resonatorposi- tion also schon das Entstehen der Verbrennungsschwingung zu vermeiden. Hierdurch wird ein sehr viel effizienteres Mittel gegen Verbrennungsschwingungen erreicht.

Vorzugsweise umgibt der Brennerkanal als Ringkanal einen Zen- tralkanal, durch den getrennt vom Ringkanal Brennstoff und Verbrennungsluft der Verbrennungszone zuführbar sind, wobei der Helmholtzresonator den Ringkanal ebenfalls ringförmig um- gibt.

Hierdurch kann der Resonator vollständig und symmetrisch auf dem Ringkanal einwirken. Ungleichmäßige Temperaturverteilun- gen werden hierdurch vermieden. Durch die Position stromab der Brennstoffzufuhr kann zudem der Resonator unmittelbar auf den Ort der höchsten Wärmefreisetzung einwirken, was zu einer besonders hohen Wirkung des Resonators führt.

Der Brenner kann insbesondere ein kombinierter Diffusions- und Vormischbrenner sein. Dabei wird in dem Ringkanal als Vormischkanal Brennstoff innig mit Verbrennungsluft ver- mischt. Der Zentralkanal ist als ein Diffusionsbrenner ausge- führt, in dem Luft und Brennstoff im wesentlichen erst in der Verbrennungszone gemischt werden. Ein Vormischbrenner kann durch eine sogenannte magere Verbrennung wenig Brennstoff in viel Luft verbrennen und weist hierdurch geringe Stickoxid- emissionen auf. Allerdings ist die magere Verbrennung häufig instabil und neigt verstärkt zur Ausbildung von Verbrennungs- schwingungen. Der ringförmige Helmholtzresonator wirkt dem entgegen. Der Diffusionsbrenner verbrennt ein fetteres Ge-

misch und stabilisiert, falls nötig, die Vormischverbrennung, allerdings für den Preis erhöhter Stickoxidemissionen.

Der Brennerkanal kann auch als Zentralkanal ausgeführt und von einem Ringkanal umgeben sein, durch den getrennt vom Zen- tralkanal Brennstoff und Verbrennungsluft der Verbrennungs- zone zuführbar sind, wobei der Helmholtzresonator den Zen- tralkanal ringförmig umgibt.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung können sowohl beim Ringkanal als auch beim Zentralkanal Helmholtzresonatoren je- weils stromab der Brennstoffzuführung angeordnet sein.

Bevorzugt sind im Brennerkanal Drallschaufeln stromauf der Resonatorposition angeordnet. Durch solche Drallschaufeln wird ein die Verbrennung stabilisierender Drall erzeugt. Wei- ter bevorzugt ist der Brennstoff über die Drallschaufeln ein- leitbar.

Vorzugsweise sind durch den Helmholtzresonator Verbrennungs- schwingungen absorbierbar oder reflektierbar. Während her- kömmliche Resonatoren ausschließlich durch Absorption wirken, kann nach dem Konzept der Erfindung auch eine reflektierende Wirkung des Helmholtzresonators Verbrennungsschwingungen ver- ringern, da wie oben ausgeführt eine Reflexion zu einer Ver- ringerung von akustischen Störungen am Brennstoffeinlass und damit zur Verringerung von Luftzahlschwankungen führt.

Bevorzugt weist der Helmholtzresonator ein einstellbares Vo- lumen auf. Hierdurch können die akustischen Eigenschaften eingestellt und somit das Gesamtsystem akustisch abgestimmt werden. Denkbar ist auch eine Einstellung des Druckes, etwa von Luft, im Resonatorvolumen, was ebenfalls die akustischen Eigenschaften verändert und was sogar im Betrieb eingestellt werden könnte.

Vorzugsweise weist der Helmholzresonator ein Resonatorvolumen auf und ist über eine Resonatormündung mit dem Brennerkanal verbunden, wobei die Resonatormündung durch ein Röhrchen in das Resonatorvolumen hinein verlängert ist. Weiter bevorzugt ragen mehrere Röhrchen in das Resonatorvolumen. Das innere Volumen des Resonators wird dabei kaum geändert. Die äußeren Abmessungen des Resonators können somit klein gehalten wer- den. Die Röhrchen können dabei verwunden ausgeführt werden, um genügend Abstand zu den Wänden zu haben. Durch Veränderung der Länge der Röhrchen kann die Dämpfungsvorrichtung ver- schiedene Frequenzen, die im Verbrennungssystem auftreten, eingestellt werden. Dabei müssen die äußeren Abmessungen des Resonators und damit des Brenneinsatzes sowie die offene Ge- samtquerschnittsfläche nicht geändert werden. Der Hauptvor- teil : um tiefe Frequenzen zu dämpfen, kann mit Hilfe der hin- einragenden Röhrchen auf eine Volumenvergrößerung des Resona- tors verzichtet werden.

Bevorzugtermassen ist der Brenner als Gasturbinenbrenner aus- gebildet.

Erfindungsgemäß wird die auf eine Gasturbine gerichtete Auf- gabe gelöst durch Angabe einer Gasturbine mit einem Brenner nach einer der oben beschriebenen Ausführungen.

Die Vorteile einer solchen Gasturbine entsprechen den Vortei- len, wie sie zum erfindungsgemäßen Brenner beschrieben wur- den. In einer Gasturbine sind Verbrennungsschwingungen wegen der hohen Leistungsdichten besonders störend und schädlich.

Weiter bevorzugt weist die Gasturbine eine Ringbrennkammer auf. In einer Ringbrennkammer kann es durch den großen, ge- koppelten Brennraum leicht zu schweren Verbrennungsschwingun- gen kommen.

Erfindungsgemäß wird die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe gelöst durch Angabe eines Verfahrens zum Betrieb eines Bren- ners mit einem Brennerkanal, in den Verbrennungsluft an einer

Lufteinleitungsposition und Brennstoff an einer Brennstoff- einleitungsposition eingeleitet werden, wobei die Brennstoff- einleitungsposition stromab der Lufteinleitungsposition liegt und wobei die Verbrennungsluft mit dem Brennstoff im Brenner- kanal gemischt und anschließend in eine Verbrennungszone ein- geleitet wird und wobei eine Kopplung zwischen Luftzahl- schwankungen und Verbrennungsschwingungen weitgehend dadurch aufgebrochen wird, dass ein Helmholtzresonator an einer Reso- natorposition mit dem Brennerkanal stromab der Brennstoffein- leitungsposition und stromauf der Verbrennungszone unmittel- bar strömungstechnisch so verbunden ist, dass Verbrennungs- schwingungen nicht bis zur Brennstoffeinleitungsposition vor- dringen.

Die Vorteile eines solchen Verfahrens entsprechen den obigen Ausführungen zu den Vorteilen des Brenners.

Die Erfindung wird beispielhaft und teilweise schematisch an- hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen : FIG 1 : Ein Verfahren zur Verringerung von Verbrennungs- schwingungen FIG 2 : Einen Gasturbinenbrenner FIG 3 : Eine Gasturbine FIG 4 : Einen Helmholtzresonator Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

Figur 1 zeigt schematisch einen Brenner 1 und ein Verfahren zum Betrieb des Brenners 1. Der Brenner 1 weist einen Bren- nerkanal 3 auf. Der Brennerkanal 3 mündet in eine Brennkammer 5. An einer Lufteinleitungsposition 7 wird Verbrennungsluft 9 in den Brennerkanal 3 eingeleitet. An einer stromab der Luft- einleitungsposition 7 liegenden Brennstoffeinleitungsposition 10 wird Brennstoff 11, insbesondere Erdgas, in den Brennerka- nal 3 eingeleitet. Dies geschieht über Auslassöffnungen 15 in

Drallschaufeln 13, die im Brennerkanal 3 angeordnet sind und durch Erzeugung eines Rückströmgebietes zu einer Stabilisie- rung der Verbrennung führen. Das entstehende Gemisch 17 aus Verbrennungsluft 9 und Brennstoff 11 wird dann in der Brenn- kammer 5 verbrannt.

Ein Helmholtzresonator 19 ist über eine Resonatormündung 21 mit dem Brennerkanal 3 unmittelbar strömungstechnisch an ei- ner Resonatorposition 26 verbunden. Der Helmholtzresonator 19 weist ein Resonatorvolumen 23 auf. Das Resonatorvolumen 23 ist über einen Kolben 25 einstellbar.

Bei der Verbrennung in einer Verbrennungszone 27 in der Brennkammer 5 kann es durch ungleichmäßige Hitzefreisetzung zu akustischen Pulsen kommen, die ihrerseits nach Reflexion an den umgebenden Wänden eine ungleichmäßige Hitzefreisetzung verursachen können. Dies kann bei phasenrichtiger Überlage- rung zum Aufbau einer Verbrennungsschwingung 29 führen, die auch in den Brennerkanal 3 eindringt. Eine wesentliche Ursa- che für das Entstehen der ungleichmäßigen Hitzefreisetzung liegt in Luftzahlschwankungen, die durch akustische Störungen im Bereich der Brennstoffeinlassposition 10 verursacht werden können. An der Resonatorposition 26 werden durch den Helm- holtzresonator 19 die akustischen Eigenschaften des Brenner- kanals 3 so verändert, dass eine Verbrennungsschwingung 29 nicht bis zur Brennstoffeinlassposition 10 vordringt. Hier- durch wird eine Entkopplung von Luftzahlschwankungen an der Brennstoffeinlassposition 10 und Verbrennungsschwingungen 29 erreicht. Erstmals wird somit durch einen Helmholtzresonator 19 eine Ursache für das Entstehen einer Verbrennungsschwin- gung 29 bekämpft und nicht nur lediglich durch Absorption die Amplitude solcher Verbrennungsschwingungen 29 gedämpft.

In Figur 2 ist ein Gasturbinenbrenner 1 dargestellt. Der Brennerkanal 3 umgibt als ein Ringkanal 30 einen Zentralkanal 41. Der Ringkanal 30 ist als ein Vormischkanal ausgeführt, in dem Brennstoff 11 und Verbrennungsluft 9 vor der Verbrennung

intensiv vermischt werden. Dies wird als Vormischverbrennung bezeichnet. Der Brennstoff 11 wird über hohl ausgeführte Drallschaufeln 13 in den Ringkanal 30 eingeleitet. Der Zen- tralkanal 41 mündet in die Verbrennungszone 27 zusammen mit einer zentralen Brennstofflanze 45, die Brennstoff 47, insbe- sondere Öl, über eine Dralldüse 47 zuführt. In diesem Fall werden'Brennstoff 11 und Verbrennungsluft 9 erst in der Ver- brennungszone 27 gemischt und man spricht von einer Diffusi- onsverbrennung. In den Zentralkanal 41 kann aber auch strom- auf der Verbrennungszone 27 Brennstoff 11, insbesondere Erd- gas, über einen Brennstoffeinlass 43 zugegeben werden.

Der Ringkanal 30 ist ringförmig von einem Helmholtzresonator 19 umgeben, der über lochförmig ausgebildete Resonatormündun- gen 21 mit dem Ringkanal 30 unmittelbar strömungstechnisch verbunden ist. Auch der Zentralkanal 41 ist von einem Helm- holtzresonator 20 über lochförmig ausgebildete Resonatormün- dungen 22 mit dem Zentralkanal 41 unmittelbar strömungstech- nisch verbunden. In beiden Fällen ist der jeweilige Helm- holtzresonator 19,20 stromab der jeweiligen Brennstoffein- lassposition 10 angeordnet, mit der oben beschriebenen Wir- kung. Ein Zusatzresonator 31 ist zur weiteren Dämpfung von Verbrennungsschwingungen 29 über eine schlitzartige Resona- tormündung 33 mit dem Zentralkanal 41 unmittelbar strömungs- technisch verbunden.

In Figur 3 ist eine Gasturbine 51 abgebildet. Die Gasturbine 51 weist einen Verdichter 53, eine Ringbrennkammer 55 und ein Turbinenteil 57 auf. Luft 58 aus der Umgebung wird dem Ver- dichter 53 zugeleitet und dort hoch zu Verbrennungsluft 9 verdichtet. Anschließend wird die Verbrennungsluft 9 der Ringbrennkammer 55 zugeleitet. Über Gasturbinenbrenner 1 der oben beschriebenen Art wird sie dort mit Brennstoff 11 zu ei- nem Heißgas 59 verbrannt. Das Heißgas 59 treibt das Turbinen- teil 57 an.

Die Figur 4 zeigt einen Helmholtzresontor 19 mit einem Reso- natorvolumen 23 und einer Resonatormündung 21, die aus mehre-

ren Bohrungen 21A besteht. Jede der Bohrungen 21A ist über ein jeweiliges Röhrchen 61 in das Resonatorvolumen 23 fortge- setzt. Die Röhrchen 61 ragen also in das Resonatorvolumen 23 hinein. Das innere Volumen des Resonators wird dabei kaum ge- ändert. Die äußeren Abmessungen des Resonators 19 können so- mit klein gehalten werden. Die Röhrchen 61 können dabei ver- wunden ausgeführt werden, um genügend Abstand zu den Wänden zu haben. Durch Veränderung der Länge der Röhrchen 61 kann die Dämpfungsvorrichtung auf jede beliebige Frequenz, die im Verbrennungssystem auftritt, eingestellt werden. Dabei müssen die äußeren Abmessungen des Resonators 19 und damit des Brenneinsatzes sowie die offene Gesamtquerschnittsfläche nicht geändert werden. Der Hauptvorteil : um tiefe Frequenzen zu dämpfen, kann mit Hilfe der hineinragenden Röhrchen 61 auf eine Volumenvergrößerung des Resonators 19 verzichtet werden.

Über Lufteinlassöffnungen 63 wird der Resonator 19 luftge- spült. Damit ist einerseits eine Kühlung des Resonators 19 möglich, andererseits kann über die Durchflussmenge an Luft die Impedanz des Resonators 19 eingestellt werden.