GASTURBINENBRENNER MIT VORGEMISCHTEN STRAHLFLAMMEN

Stickoxidemissionen (NOx) von Gasturbinen werden entscheidend durch die richtige Auslegung des technischen Verbrennungssys ^¬ tems (Brennkammer) beeinflusst. Neben den Betriebsparametern Verbrennungstemperatur, Brennkammerdruck und Frischgasmassen- strom lassen sich die Emissionen durch eine gezielte geometrische Auslegung beeinflussen. Die Aufenthaltsdauer des verbrannten Gases in der Brennkammer - als Einflussparameter auf die NOx-Emissionen - lässt sich durch eine Verkleinerung des Brennkammervolumens verringern, ist aber durch die Notwendig ^¬ keit eines vollständigen Ausbrands begrenzt.

Bei vorgegebenen Betriebsparametern und gegebenem Brennkammervolumen bleibt nur die Möglichkeit, die NOx-Emissionen durch eine Verbesserung der Brennstoff-Luft Vormischung zu beeinflussen. Die Herausforderung bei der Auslegung einer entsprechenden Vormischstrecke kann neben einem vorgegebenen maximalen Druckverlust die Begrenzung der Länge der Vormischstrecke sein. Folglich ist eine möglichst schnelle Vormi ^¬ schung bei möglichst geringem Druckverlust gefordert.

Eine etablierte Methode zur Sicherstellung von guter Brennstoff-Luft Vormischung in Vormischpassagen ist die Wahl eines großen Verhältnisses zwischen Vormischlänge und charakteris ^¬ tischem Durchmesser der Passagen. Bei gegebener Vormischlänge kann dieses Verhältnis durch Verkleinerung des Passagendurchmessers vergrößert werden. Dadurch wird aber typischerweise die Anzahl der Trennwände zunehmen, was zu dem Problem führt, dass für die BrennstoffZuführung weniger Bauraum zur Verfügung steht. Weiterhin führen kleiner werdende Abmessungen zu größeren Anforderungen an die Toleranzen.

Für die Verbesserung der Brennstoff-Luft Vormischung sind verschiedene Konzepte bekannt. Die EP 0 851 990 Bl offenbart beispielsweise einen Brenner für eine Gasturbine mit einem Ringspalt zur Führung eines Stromes eines Sauerstoff

enthaltenden Gases mit einer Vielzahl von in dem Ringspalt angeordneten Düsen zur Zuführung eines Brennstoffes zu dem Strom sowie einem in dem Ringspalt angeordneten Drallgitter. D. h., die Vormischstrecke weist Leitschaufeln auf, die der Strömung einen Drall aufprägen. Gleichzeitig wird durch die Schaufeln der Brennstoff normal zu den Schaufeloberflächen eingedüst. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass der Brenn- Stoff vor oder hinter dem Drallgitter quer zur Strömung eingedüst wird („Jet in Crossflow") .

Es sind aber auch Lösungen mit einer drallfreien Vormischstrecke bekannt, bei denen die Brennstoffeindüsung über eine Lanze in der Mitte des Vormischkanals erfolgt. Diese Vor- mischstrecken können auch Turbulatoren zur Verbesserung der Vormischung aufweisen.

Ein weiteres Konzept zur Eindüsung von Brennstoff ist bei- spielsweise in der DE 10 2013 213 860 AI offenbart, bei der

Brennstoff über Vormischröhren vorgelagerte Lanzen normal zur Strömungsrichtung eingedüst wird. Auch hier kann die Mischung von Brennstoff und Luft durch den Einsatz von Wirbelgenerato ^¬ ren verbessert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner kompakter Bauform bereitzustellen, der eine verbesserte Brennstoff-Luft-Vor- mischung ermöglicht. Die Erfindung löst die auf einen Brenner gerichtete Aufgabe, indem sie einen Brenner für eine Verbrennungsmaschine vor ^¬ sieht, der mehrere auf konzentrischen Ringen parallel zuei ^¬ nander angeordnete Mischrohre mit Lufteinlässen und den Luft- einlässen vorgelagerte zu den Ringen konzentrische Brenn- Stoffringverteiler mit BrennstoffÖffnungen umfasst, wobei zwischen benachbarten Brennstoffringverteilern je ein Ringspalt gebildet ist, der mit einem Ring aus Mischrohren fluch- tet, wobei die BrennstoffÖffnungen der Brennstoffringvertei- ler in den Ringspalt münden.

Das Problem der kleinen Abmessungen und des begrenzten Bau- raums wird gemäß der Erfindung durch umlaufende Ringkanäle gelöst, bei denen die BrennstoffÖffnungen so angeordnet sind, dass sie zum Ringspalt hin orientiert sind, so dass im Be ^¬ trieb des Brenners eine senkrechte Eindüsung des Brennstoffs in die durch den Ringspalt strömende Luft am einfachsten um- setzbar ist, wodurch eine optimale Durchmischung von Brennstoff und Luft begünstigt ist. Ferner ist die vorgeschlagene Lösung im Hinblick auf Thermospannungen im Bereich der

Brennstoffeindüsung günstiger als bekannte Konzepte. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die BrennstoffÖffnungen so an ^¬ geordnet sind, dass sie zum Ringspalt hin orientiert sind, so dass im Betrieb des Brenners eine senkrechte Eindüsung des Brennstoffs in die durch den Ringspalt strömende Luft am ein ^¬ fachsten umsetzbar ist, wodurch eine optimale Durchmischung von Brennstoff und Luft begünstigt ist.

Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn jedem Mischrohr mindestens eine BrennstoffÖffnung zugeordnet ist, so dass das durch das Einmischen des Brennstoffs gebildete Brennstoff-Luft-Gemisch sich in den Mischrohren weiter vermischen kann.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die BrennstoffÖffnungen eines Brennstoffringverteilers auf einem einzigen Radius angeordnet, so dass Brennstoff eines Brenn- stoffringverteilers lediglich in einen Ringspalt eingedüst werden kann. Eine solche Variante ist bei Teillast oder auch beim Einsatz verschiedener Brennstoffe interessant, um nur einen Teil der Mischrohre des Brenners mit Brennstoff bzw. einer Brennstoffart beaufschlagen zu können.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die BrennstoffÖffnungen eines Brennstoffringverteilers auf zwei Radien angeordnet, d.h., radial außen am Brennstoffringver- teiler und radial innen, so dass Brennstoff eines Brennstoff ^¬ ringverteilers in zwei Ringspalte eingedüst werden kann. Dies ermöglicht die Eindüsung von Brennstoff in den Ringspalt von zwei Seiten, von innen und von außen und kann ebenfalls zu einer besseren Vermischung von Brennstoff und Luft führen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Brennstoffringverteiler zweigeteilt, mit einer radial äußeren und einer benachbarten radial inneren Kammer. Diese Ausführungsform ist die aufwändigste, erlaubt aber die Ver ^¬ bindung der Vorteile beider vorgenannten Ausführungsformen.

Im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Strömung des Brennstoff-Luft-Gemischs ist es vorteilhaft, wenn eine

Querschnittsfläche in einem durch die Brennstoffringverteiler gebildeten Ringspalt der Summe der Querschnittflächen nachgeordneter Mischrohre bis auf 20% Abweichung entspricht. Ein entlang des Strömungspfads im Wesentlichen konstanter Querschnitt vermeidet unerwünschte Beschleunigungen oder Verlang- samungen des strömenden Fluids.

In diesem Zusammenhang ist es weiterhin vorteilhaft, wenn ein Übergang zwischen Ringspalt und nachgeordneten Mischrohren kontinuierlich erfolgt. Eine Strömungsführung der Verbren- nungsluft bzw. des Brennstoff-Luft-Gemisches kann zweckmäßi ^¬ gerweise dadurch erreicht werden, dass Stege zwischen den Mischrohren im Bereich der Lufteinlässe angeordnet sind.

Staupunkte und Rezirkulationszonen am Übergang zu den Mischrohren werden dadurch vermieden.

Im Hinblick auf das Betreiben des Brenners in Teillast ist es vorteilhaft, wenn die Brennstoffringverteiler unabhängig voneinander mit Brennstoff beaufschlagbar sind. Eine Verringe ^¬ rung der Brennstoffzufuhr zu allen Mischrohren des Brenners würde ab einem bestimmten Punkt zu ungünstigen Betriebs- ins ^¬ besondere Druckverhältnissen im Brenner führen. Besser ist es, den Brenner teilweise abzuschalten, d.h. einzelne Ringe von Mischrohren vollständig abzuschalten und die übrigen Rin- ge von Mischrohren mit optimalen Betriebsparametern weiter zu betreiben .

Um nicht jeden Brennstoffringverteiler einzeln betreiben zu müssen, können aber auch Gruppen von Brennstoffringverteilen gebildet werden, d.h. die Brennstoffringverteiler werden zu Brennerstufen zusammengefasst . Eine verbesserte Teillastfä ^¬ higkeit ist immer noch gewährt. Es ist vorteilhaft, wenn ein Querschnitt eines Brennstoff ^¬ ringverteilers oder einer Kammer mindestens dreimal so groß ist, wie die Summe der Durchtrittsflächen der BrennstoffÖff ^¬ nungen des Brennstoffringverteilers oder der Kammer. Dies be ^¬ wirkt einerseits, dass der Brennstoff im Brennstoffringver- teiler oder in der Kammer vergleichsweise langsam strömt und dabei aufgewärmt wird und andererseits dass der Brennstoff im Bereich der BrennstoffÖffnungen eine Beschleunigung erfährt und so ausreichend tief in die an der BrennstoffÖffnung vorbei strömende Luft eindringen kann.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die Mischrohre axial durch einen Ringraum, der zwischen einer rohrförmigen Außenwand und einer radial von der Außenwand beabstandet angeordneten rohrförmigen Innenwand de- finiert ist, wobei ein Pilotbrenner innerhalb der rohrförmigen Innenwand angeordnet ist, um eine stabile Verbrennung über einen weiten Betriebsbereich, insbesondere im Leerlauf und Teillastbereich sicherzustellen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Pilotbrenner ein zentraler Drallpilot ist.

Im Hinblick auf eine gute Durchmischung von Brennstoff und Luft ist es vorteilhaft, wenn Wirbelerzeuger in den Ringspal ^¬ ten angeordnet sind. Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 einen Schnitt durch einen Brenner nach der Erfindung, Figur 2 einen Schnitt durch die Brennstoffringverteiler und die Mischröhren, Figur 3 eine Detailansicht auf die Mischrohre mit vorgelager ^¬ ten, aufgeschnittenen Brennstoffringverteilern und

Figur 4 einen Schnitt durch die Brennstoffringverteiler mit

Wirbelerzeugern .

Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft einen Brenner 1 gemäß der Erfindung, insbesondere einen Strahlbrenner. Er umfasst im Beispiel der Figur 1 auf vier konzentrischen Ringen zueinander parallel angeordnete Mischrohre 2. Die Anzahl der Ringe ist nicht auf vier festgelegt. Weniger Ringe, aber auch mehr, beispielsweise bis zu 20 Ringe, sind ebenfalls denkbar. Die Anzahl der Mischrohre 2 liegt in der Größenord ^¬ nung zwischen 20 und 1600. Ihr Durchmesser liegt zwischen 5 und 50 mm. Wie eingangs ausgeführt, ist die Wahl eines ver- gleichsweise großen Verhältnisses zwischen Vormischlänge und Durchmesser der Mischrohre 2 wesentlich im Hinblick auf eine gute Brennstoff-Luft-Durchmischung . Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Mischrohre 2 des Brenners 1 gemäß der Er ^¬ findung liegt mindestens zwischen 2 und 50, besser zwischen 5 und 20.

Die Mischrohre 2 erstrecken sich axial durch einen Ringraum 15, der zwischen einer rohrförmigen Außenwand 16 und einer radial von der Außenwand beabstandet angeordneten rohrförmi- gen Innenwand 17 definiert ist. Ein Pilotbrenner 18 ist in ^¬ nerhalb der rohrförmigen Innenwand 17 angeordnet.

Den Mischrohren 2 sind an ihren Lufteinlässen 3 zu den Ringen konzentrische Brennstoffringverteiler 4 mit Brennstofföffnun- gen 5 vorgelagert. Zwischen benachbarten Brennstoffringverteilern 4 ist je ein Ringspalt 6 gebildet, der mit einem Ring aus Mischrohren 2 fluchtet. Im Betrieb des Brenners 1 strömt Verdichterendluft in der Figur 1 von rechts nach links am Brennkammerliner 20 entlang und wird an einer Endplatte 21 umgelenkt, um durch die Ringspalte 6 in die Mischrohre 2 und schließlich gut mit Brennstoff vermischt in die Brennkammer 22 selbst einzuströmen.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch die Brennstoffringverteiler 4 und Mischröhren 2. Die BrennstoffÖffnungen 5 sind so angeordnet, dass sie zum Ringspalt 6 hin orientiert sind. Dabei ist jedem Mischrohr 2 mindestens eine BrennstoffÖffnung 5 zu- geordnet. (Die Brennstoffeindüsung ist zumindest zum Teil durch Pfeile dargestellt.)

Figur 2 zeigt dabei verschiedene Varianten von Brennstoff ^¬ ringverteilern 4, die nicht alle in einem Brenner 1 reali- siert werden müssen. Beispielsweise zeigt Figur 2 eine Vari ^¬ ante von Brennstoffringverteilern 4, bei der die Brennstofföffnungen 5 auf einem einzigen Radius angeordnet sind, so dass Brennstoff eines Brennstoffringverteilers 4 lediglich in einen Ringspalt 6 eingedüst werden kann.

Bei einer weiteren Variante sind die BrennstoffÖffnungen 5 auf zwei Radien angeordnet, so dass Brennstoff eines Brenn ^¬ stoffringverteilers 4 in zwei Ringspalte 6 eingedüst werden kann .

Schließlich zeigt die Figur 2 eine Variante, bei der ein Brennstoffringverteiler 4 zweigeteilt ist, mit einer radial äußeren 7 und einer benachbarten radial inneren Kammer 8. Je nach Ausführungsform der umlaufenden Brennstoffringverteiler 4 können also verschiedene Brennstoffstufungen realisiert werden, indem verschiedene Brennstoffringverteiler 4 zu zwei oder mehreren Gruppen zusammengefasst werden, die über getrennte Zufuhrleitungen unabhängig voneinander mit Brennstoff versorgt werden können, sodass mit jeder Gruppe unterschied ^¬ liche Brennstoff-Luft-Gemisch-Konzentrationen erzeugt werden können. Auch die Zufuhr verschiedener Brennstoffe, wie Erd- gas, Wasserstoff, höhere Kohlenwasserstoffe, Öl oder

Öl/Wasser-Emulsionen ist so möglich.

Entsprechende Brennstoffzufuhren 23 sind in den Figuren 3 und 4 in einer Draufsicht auf die Mischrohre 2 bzw. in einer De ^¬ tailansicht der Mischrohre 2 mit vorgelagerten, aufgeschnit ^¬ tenen Brennstoffringverteilern 4 gezeigt.

Der Figur 3 ist ferner entnehmbar, dass die minimale Quer- schnittsfläche 9 in einem durch die Brennstoffringverteiler 4 gebildeten Ringspalt 6 ungefähr der Summe der Querschnittflä ^¬ chen 10 der Lufteinlässe 3 nachgeordneter Mischrohre 2 ent ^¬ spricht (dies ist anhand eines Segments für ein Mischrohr 2 angedeutet) . Abweichungen bis zu etwa 20% sind akzeptierbar, um eine einigermaßen gerichtete Strömung durch Ringspalt 6 und Lufteinlässe 3 der Mischrohre 2 zu erhalten. Hierzu ist ebenfalls wichtig, dass ein Übergang zwischen Ringspalt 6 und nachgeordneten Mischrohren 2 kontinuierlich erfolgt. Das wird dadurch erreicht, dass Stege 11 zum Leiten von Luft und

Brennstoff zwischen den Mischrohren 2 im Bereich der Lufteinlässe 3 angeordnet sind.

Im Hinblick auf Thermospannungen und eine optimale

Brennstoffeindüsung sollte ein Querschnitt 12 eines Brenn- Stoffringverteilers 4 oder einer Kammer 7, 8 mindestens drei ^¬ mal so groß gewählt werden, wie die Summe der

Durchtrittsflächen 13 der BrennstoffÖffnungen 5 des Brennstoffringverteilers 4 oder der Kammer 7, 8. Figur 4 zeigt schließlich Wirbelerzeuger 19, die in den Ringspalten 6 zur weiteren Verbesserung der Durchmischung von Brennstoff und Luft in unmittelbarer Nähe zu den Brennstoff ^¬ öffnungen 5 angeordnet sind. Solche mischungsfordernden Elemente sind beispielsweise pyramidenförmig ausgebildet und auf der die BrennstoffÖffnungen 5 umgebenden Wand befestigt.