Brenner zur Stabilisierung der Verbrennung einer Gasturbine Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner zur Stabili ^¬ sierung der Verbrennung einer Gasturbine, welcher eine Brennkammer und mehrere in die Brennkammer mündende Düsen umfasst, wobei mit den Düsen durch einen Fluidstrahl Fluid in die Brennkammer eingebracht wird, wobei das Fluid in der Brenn- kammer zu Heißgas verbrannt wird, wobei bei mindestens einer Düse ein Ringspalt vorgesehen ist, über welchen der Düse das Fluid an einem Düseneintritt zugeführt wird, und wobei ein Vorwärmer vorgesehen ist, welcher das Fluid vor Eintritt in die Düse erwärmt.

Auf vorgemischten Strahlflammen basierende Verbrennungssyste ^¬ me bieten gegenüber drallstabilisierten Systemen aufgrund der verteilten Wärmefreisetzungszonen und der fehlenden drallinduzierten Wirbel insbesondere aus thermoakustischer Sicht Vorteile. Durch geeignete Wahl des Strahlimpulses lassen sich kleinskalige Strömungsstrukturen erzeugen, die akustisch induzierte Wärmefreisetzungsfluktuationen dissipieren und somit Druckpulsationen, die für drallstabilisierte Flammen typisch sind, unterdrücken.

Eine Stabilisierung der Verbrennung bei gleichzeitigem Erzielen eines sehr hohen Wirkungsgrads und einer geringen Schad ^¬ stoffProduktion kann hierbei durch eine sehr starke Verdünnung des Betriebsgases mit Verbrennungsabgasen erreicht wer- den. Anstelle einer sichtbaren Flammenfront findet eine nicht leuchtende Verbrennung statt, die auch als milde Verbrennung, farblose Verbrennung oder Volumenverbrennung bekannt ist. Ein hoher Volumenstrom von Abgas in die Verbrennungszone kann hierbei durch eine Rezirkulierung von Verbrennungsabgasen er- reicht werden, die vorzugsweise brennraumintern erfolgt. Die rezirkulierten Verbrennungsabgase verdünnen das in den Brennraum eingebrachte Frischgas und bewirken außerdem eine hohe Vorwärmung des entstehenden Gasgemisches auf Temperaturen oberhalb einer Selbstentzündungstemperatur des Betriebsgases. Anstelle einer herkömmlichen Flammenfront wird eine großvolu- mige Flammzone erreicht, in deren Volumen eine annähernd gleichmäßige Verbrennung erfolgt.

Gerade jedoch im Teillastbereich oder Grundlastbereich mit Druckpulsationen im mittleren oder hohen Frequenzbereich ist eine Stabilisierung der Verbrennung notwendig. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Brenner anzugeben, der eine stabile Verbrennung mit geringen Druckpulsationen gerade im Teillastbereich oder im Grundlastbereich des Brenners, bei denen Druckpulsationen im mittleren oder hohen Frequenzbereich vorherrschen, anzugeben.

Die Aufgabe wird durch einen Brenner zur Stabilisierung der Verbrennung einer Gasturbine nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestal ^¬ tungen der Erfindung.

Dabei umfasst der erfindungsgemäße Brenner zur Stabilisierung der Verbrennung einer Gasturbine eine Brennkammer und mehrere in die Brennkammer mündende Düsen, insbesondere Strahldüsen. Mit den Strahldüsen wird durch einen Fluidstrahl Fluid in die Brennkammer eingebracht. Dabei wird das Fluid in dem Brenn ^¬ kammer zu Heißgas verbrannt. Bei mindestens einer Strahldüse ist zudem ein Ringspalt vorgesehen, über welchen der Strahldüse das Fluid an einem Düseneintritt, insbesondere Strahldü ^¬ seneintritt zugeführt wird.

Es wurde erkannt, dass gerade bei strahlbasierten Verbren ^¬ nungssystemen eine hohe Luftvorwärmtemperatur als Maßnahme gegen Druckpulsationen vorteilhaft ist. Dabei steht nicht der niedrige Lastbereich mit einer mageren Verlöschgrenze mit niederfrequenten Druckpulsationen im Vordergrund, sondern der Teillast oder Grundlastbereich mit Druckpulsationen im mittleren oder hohen Frequenzbereich. Es wurde erkannt, dass sich die anzustrebenden Vorwärmtemperatu ^¬ ren ab einem thermodynamischen Gasturbinenprozess von 25 bar einstellen. Diese Vorwärmtemperaturen werden jedoch für die momentane Gasturbinengeneration im Regelfall nicht erreicht. Jedoch ist auch für Gasturbinenprozesse, welche diesen Druck erzielen noch ein Potential für die Verringerung von Druckpulsationen durch eine höhere Brennerlufttemperatur vorhanden . Erfindungsgemäß ist nun ein Vorwärmer vorgesehen, wobei der Vorwärmer ein Vorbrenner mit oder ohne Brennkammer oder ein Wärmetauscher ist. Dabei ist der Vorbrenner mit oder ohne Brennkammer oder der Wärmetauscher im Ringspalt angeordnet. Somit wird besonders effizient das Fluid vor Eintritt in die Düse, insbesondere in die Strahldüse, erwärmt. Durch diese fertigungstechnisch einfach umsetzbare Maßnahme wird die Flu- idtemperatur, insbesondere also die Lufttemperatur bzw. die Luft/Brennstofftemperatur vor Eintritt in die Strahldüse, das heißt auch in die Brennkammer, gelöst. Durch den Einsatz ei- nes solchen Vorwärmers und der einhergehenden Fluidvorwärmung wird daher der Verbesserung der Stabilität der Verbrennung eines Brenners, insbesondere eines Strahlbrenners erzielt.

Durch den erfindungsgemäßen Brenner wird nun die Fluidtempe- ratur vor dem Eintritt in den Brenner erhöht. Damit wird die Stabilität des Brenners wesentlich erhöht.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.

Darin zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Ausschnitt aus einer Gasturbine mit einer Brennkammer in einem Längsschnitt entlang einer Wellenachse nach dem Stand der Technik, Fig. 2 schematisch einen Schnitt durch eine Brennkammer quer zu dessen Längsrichtung mit einem Strahlbrenner,

Fig. 3 schematisch einen Schnitt durch einen weiteren

Strahlbrenner quer zu dessen Längsrichtung,

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt eines Brenner,

Fig. 5 ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Brenners mit Vorbrenner,

Fig. 6 ein als Wärmetauscher ausgestalteten Vorwärmer, wel- eher im Ringspalt angeordnet ist,

Fig. 7 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher - Ringspalt,

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Gasturbine mit einer entlang einer Wellenachse 14 angeordneten und nicht darge- stellten Welle und einer parallel zur Wellenachse 14 ausge ^¬ richteten Brennkammer 5 in einem Längsschnitt. Die Brennkammer 5 ist rotationssymmetrisch um eine Brennkammerachse 18 aufgebaut. Die Brennkammerachse 18 ist in diesem speziellen Ausführungsbeispiel parallel zur Wellenachse 14 angeordnet, wobei sie auch angewinkelt zur Wellenachse 14, im Extremfall senkrecht zu dieser verlaufen kann. Ein ringförmiges Gehäuse 10 umgibt die Brennkammer 5. Mittels einer Strahldüse 3 des Stands der Technik wird ein Fluid zumeist Luft bzw.

Luft/Brennstoffgemisch in den Brennkammer 5 eingebracht. Die rezirkulierenden Heißgase 4 in der Brennkammer 5 sind mit 1 angegeben .

Die Fig. 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen

Strahlbrenner senkrecht zu einer Wellenachse 14 (Fig. 1) des Brenners. Der Brenner umfasst ein Gehäuse 10, welches einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Innerhalb des Gehäuses 10 ist eine bestimmte Anzahl an Strahldüsen 3 im Wesentlichen ringförmig angeordnet. Jede Strahldüse 3 weist dabei einen kreisförmigen Querschnitt auf. Außerdem kann der Brenner einen Pilotbrenner 25 umfassen.

Die Fig. 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen weite- ren Strahlbrenner, wobei der Schnitt senkrecht zur Mittelachse des weiteren Brenners verläuft. Der Brenner weist eben ^¬ falls ein Gehäuse 10 auf, welches einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und in welchem eine Anzahl innerer und äuße ^¬ rer Strahldüsen 3,30 angeordnet ist. Die Strahldüsen 3,30 weisen jeweils einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei die äußeren Strahldüsen 3 eine gleich große oder größere Querschnittsfläche besitzen als die inneren Strahldüsen 30. Die äußeren Strahldüsen 3 sind im Wesentlichen ringförmig innerhalb des Gehäuses 10 angeordnet und bilden einen äußeren Ring. Die inneren Strahldüsen 30 sind ebenfalls innerhalb des Gehäuses 10 ringförmig angeordnet. Die inneren Strahldüsen 30 bilden einen inneren Ring, der konzentrisch zu dem äußeren Strahldüsenring angeordnet ist. Fig. 4 zeigt den schematischen Querschnitt eines Brenners.

Dieser weist einen Kompressor mit Kompressoraustrittsdiffusor 41 auf. Der Brenner weist zudem einen Ringspalt 8 auf, wel ^¬ cher sich brennkammerabseitig an der Düse und teilweise brennkammerabseitig an der Brennkammer 5 befindet. Der Ring- spalt 8 dient dabei der äußeren Strömungsführung der verdichteten Luft 43 oder des Luft/Brennstoff-Gemisches , welche durch den Kompressor verdichtet wird und am Kompresso ^¬ raustrittsdiffusor 41 austritt und anschließend oder während ^¬ dessen mit Brennstoff gemischt wird. Dabei strömt diese ver- dichtete Luft 43 oder das Gemisch entgegen derjenigen Strömungsrichtung der Heißgase, die in der Brennkammer 5 vorhanden sind, und welche als Brennkammerströmungsrichtung bezeichnet wird. Die Luft 43 oder das Luft/Brennstoffgemisch strömt im Ringspalt 8 zum Eintritt der Strahldüse 3, dem Strahldüseneintritt 54 und strömt dann durch die Düse 3 hin ^¬ durch zur Brennkammer 5, wo sie beispielsweise mithilfe des Pilotbrenners 25 verbrannt wird. Hierzu kann die statische Druckdifferenz genutzt werden (hohe Strömungsgeschwindigkeit im Spalt 8). Zwischen Kompressoraustrittsdiffusor 41 und Ringspalt 8 ist ein Plenum 42 vorgesehen. Der Brennkammer in Brennkammerströmungsrichtung nachgeschaltet befindet sich ein Übergangstück 44, welchem sich eine Turbine 45 anschließt.

Fig. 5 zeigt ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Brenners mit Vorbrenner 70. Dieser ist im Ringspalt 8 ange ^¬ ordnet. Die verdichtete Luft 43 strömt aus dem Diffuso- raustritt 41 durch das Plenum 42. Anschließend strömt die verdichtete Luft 43 (oder das Luft/Brennstoff Gemisch) in den Ringspalt 8 ein und strömt dort entgegen der Brennkammerströ ^¬ mung zum Eintritt der Strahldüse 3, dem Strahldüseneintritt 54. Die Luft 43 wird im Ringspalt 8 mit eingedüstem Brenn ^¬ stoff vermischt und wird vom Vorbrenner 70 im Ringspalt 8 verbrannt.

Somit wird die Lufttemperatur (Luft/Brennstofftemperatur) vor Eintritt in die Strahldüse 3 erhöht, so dass eine wesentliche Verbesserung der Stabilität der Verbrennung gerade im Teil- last oder Grundlastbereich mit Druckpulsationen im mittleren oder hohen Frequenzbereich erfolgt.

Die mindestens eine Strahldüse sowie optional ein Pilotbren ^¬ ner wird als Hauptstufe oder Hauptbrenner bezeichnet.

Für eine gleichmäßige Temperaturerhöhung der Luft ist eine möglichst gleichmäßige Verteilung des erzeugten Abgases vor ^¬ teilhaft. Hieraus resultiert, dass ein möglichst langer Mi ^¬ schungsweg zu dem als Hauptbrenner fungierenden Strahlbrenner vorteilhaft ist.

Der Vorbrenner 70 kann mit einem Rich-Quench-Lean (RQL )- Verbrennungskonzept, als Einzel- oder Ringbrenner mit oder ohne Brennkammer ausgeführt werden. Das RQL- Verbrennungskonzept bedeutet, dass direkt stromab eines Bren ^¬ ners, über welchen ein brennstoffreiches , fettes Luft- Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer eingeleitet wird, zunächst dieses brennstoffreiche Gemisch (= rieh burn) teilwei- se verbrannt wird, wobei die noch brennenden Brenngase an ^¬ schließend schnell abgekühlt werden (quick quench, Flammenverlöschen) und danach brennstoffarm, d. h. mager (= lean burn) weiterverbrannt werden. Aufgrund der anfänglichen brenn-stoffreichen Verbrennung können sich niedrigere Temperaturen in der Bennkammer 5 ergeben, so dass die NOx-Bildung reduziert wird.

Handelt es sich hier um ein RQL-Verbrennungskonzept so wird vorzugsweise der Vorbrenner 70 fett und die Hauptstufe mager betrieben. Das Flammenverlöschen wird durch die Ringspaltströmung besorgt. Der Vorbrenner 70 kann dabei variable im Ringspalt 8 über die gesamte axiale Länge L bezogen auf die Brennkammerachse 18 angebracht werden.

Der Ringspalt 8 weist eine Umlenkung 73 auf. Die Umlenkung 73 dient dazu, dass die Luft 43 bzw. das Luft/Brennstoff Gemisch an den Düseneintritt 54 transportiert wird. Diese Umlenkung 73 kann in etwa 180° betragen.

Der Vorbrenner 70 kann beispielsweise auch in der Umlenk 73 angeordnet werden. Auch eine direkte Anordnung vor den Düsen 3 der Hauptbrennstufe ist möglich. In dieser Ausführungsvariante ist es vorteilhaft, den bzw. die Vorbrenner 70 in Reihe mit den Düsen 3 anzuordnen, so dass eine exakte Verteilung der vorgewärmten Luft gewährleistet ist.

Der Vorbrenner 70 kann als (mehrere) Einzel- oder Ringbrenner, als magerer Vormischbrenner, als Rich-Quench-Lean- Konzept oder an unterschiedlichen Positionen auf die gesamte axiale Länge L bezogen auf die Brennkammerachse 18 im Ring ^¬ spalt 8 angebracht werden.

In Fig. 6 ist der Vorwärmer als Wärmetauscher 120 ausgestal- tet. Der Wärmetauscher 120 ist im Ringspalt 8 vorgesehen.

Der Wärmetauscher 120 wird dabei von dem Abgas der Gasturbine betrieben. Dabei kann der Wärmetauscher 120 aus mehreren Roh- ren 71 (Rohrwärmetauscher 120) bestehen, die zur gezielten Verteilung der Luft verwendet werden. Dabei kann abhängig von dem Rohrdurchmesser auch mehr als ein Rohrwärmetauscher 120 im Ringspalt 8 platziert werden. Dabei werden die Rohre 71 von der aus einem Kompressor verdichteten Luft 43 mit hoher Geschwindigkeit angeströmt, wodurch sich ein effektiver Wärmeübergang ergibt. Wird bei Grundlast oder nahe Grundlast die Temperaturerhöhung nicht benötigt, kann durch ein angebrachtes äußeres Steuerorgan (nicht gezeigt) die Abgaszufuhr ge ^¬ stoppt werden und die Abgase z.B. komplett einem nachgeschal ^¬ teten Dampferzeuger zugeführt werden (analog gilt das Prinzip auch für den Vorbrenner) . So ist es auch möglich den Wärmetauscher 120 beweglich auszuführen, um die auftretenden Strömungsdruckverluste bei Grundlast oder nach der Grundlast zu vermeiden. Gerade bei Teillast ist ein effektiver Wärmeübergang zwischen Abgas und verdichteter Luft 43 möglich, da die Gasturbine bei nahezu konstanter Abgastemperatur gefahren wird, während sich die Endtemperatur der verdichteten Luft 43 mit steigender Last erst erhöht.

Es ist dabei möglich, den Wärmetauscher 120 an verschiedenen Positionen anzuordnen, z.B. insbesondere verschiedenen axialen Positionen zwischen dem Eintritt in den Ringspalt 8 und dem Strahldüseneintritt 54, der zumeist als 180° Umlenkung ausgebildet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da der Wär ^¬ metauscher 120 dann zur Strömungsvergleichmäßigung verwendet werden kann. Dadurch wird der immanente Druckverlust positiv genutzt. Durch die Strömungsvergleichmäßigung wird ein verbessertes, stabileres Betriebsverhalten bewirkt, welches sich durch verbesserte CO- und NOx-Werte auszeichnet. Auch be ^¬ steht, wie bei allen Vorwärmern, die Möglichkeit den als Wär ^¬ metauscher 120 ausgebildeten Vorwärmer abzuschalten oder aber die Vorwärmer bei geeignetem Design bzw. Aufbau der Brennerkammer 5 aus dem Strömungspfad hinaus zu bewegen. Durch die Wirkung des Wärmetauschers 120 als Strömungsvergleichmäßiger kann auf andere Maßnahmen zur Strömungsvergleichmäßigung weitestgehend verzichtet werden. Der Druckverlust dieser Maßnah ^¬ men würde dann einen eventuellen Druckverlust durch den Vor- wärmer 120 kompensieren, so dass dieser keinen oder aber nur einen sehr geringen Druckverlust erzeugt.

Fig. 7 zeigt einen als Wärmetauscher 130 ausgebildeten Vor- wärmer, welcher als Wärmetauscher-Ringspalt 130 ausgestaltet ist. Der Wärmetauscher -Ringspalt 130 kann dabei beispiels ^¬ weise spiralförmig mit Kanälen durchzogen sein, welche einen Gegenstromwärmetauscher bilden (nicht gezeigt) . Dabei können auch mehrere unabhängige Kanäle vorhanden sein, die bei- spielsweise außen an den Wärmetauscher-Ringspalt 130 wieder zurückgeführt werden (nicht gezeigt) . Der so ausgestaltete Wärmetauscher -Ringspalt 130 hat den Vorteil, dass sich kein zusätzlicher Strömungswiderstand bildet. Die Kapazität aller dargestellten Vorwärmer wird abhängig von der angestrebten Temperaturerhöhung und der Betriebsweise (fett/magere Verbrennung) ausgeführt.

Alle Vorwärmer werden dabei dergestalt ausgeführt, dass die erzeugten Abgase nicht gegen eine Wand des bisherigen Brennersystems prallen und dort thermische Schädigungen hervorru ^¬ fen .

Zur gleichmäßigen Mischung wird ein möglichst langer Mi- schungsweg zwischen den durch den Vorwärmern entstanden Heißgases und der Luft 43 (bzw. des Luft/Brennstoffgemisches an ^¬ gestrebt .

Zusätzlich können wirbel- oder turbulenzerzeugende Elemente für eine Verbesserung der Mischung eingesetzt werden.

Zusätzlich ist es möglich im Ringspalt 8 um die Brennkammer 5 Abgase aus der Gasturbine zuzumischen, um die Temperatur des Frischgases zu erhöhen. Hierzu ist ein externer Kompressor notwendig, um das Abgas auf den entsprechenden Druck zu bringen (nicht gezeigt) . Diese Zugabe kann z.B. auch bei Grund ^¬ last oder nahe der Grundlast bedarfsweise abgeschaltet wer ^¬ den . Zudem ist es auch möglich Abgase aus dem Dampferzeuger vor einer ersten Kompressorreihe oder in einer ersten Kompressorreihen zuzugeben. Auch dies erhöht die Lufttemperatur am Kom- pressoraustrittsdiffusor 41. Auch hier wird ein externer Kompressor benötigt.

Die Abreichung des Sauerstoffes in der Luft bietet aufgrund von kinetischen Effekten Vorteile bei der NOx Entstehung.

Gegebenenfalls entstehender negativer Effekt des Vorwärmers auf NOx kann durch eine Reduzierung des Pilotgases zumindest teilweise ausgeglichen werden.