Vormischbrenner für eine Gasturbine

Technisches Gebiet Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner mit einem

Drallerzeuger und einem nachgeschalteten Mischrohr für die Verbrennung mindestens eines Brennstoffes resp. für den Betrieb mit einem oder mehreren Brennstoffen, insbesondere zur Verwendung in einer Gasturbine. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Vormischbrenners.

Stand der Technik

Brenner zur Verbrennung von flüssigem und/oder gasförmigem Brennstoffen, insbesondere zur Verwendung in einer Gasturbine, sind bekannt, welche einerseits eine hohe Stabilität beim Betrieb aufweisen, und andererseits in Bezug auf die NOx-Werte gute Eigenschaften aufweisen.

So ist aus der EP-A1 -321809 der so genannte EV-Brenner bekannt geworden. Der dort beschriebene Vormischbrenner ist ein aus mehreren Schalen bestehender, kegelförmiger Brenner, ein sogenannter Doppelkegelbrenner, zur Erzeugung einer geschlossenen Drallströmung im Kegelkopf, welche aufgrund des zunehmenden Dralls entlang der Kegelspitze instabil wird und in eine annulare Drallströmung mit Rückströmung im Kern übergeht. Brennstoffe, wie beispielsweise gasförmige Brennstoffe, werden entlang der durch die einzelnen benachbarten Schalen gebildeten Kanäle, auch Lufteintrittsschlitze genannt, eingedüst und homogen mit der Luft vermischt, bevor die Verbrennung durch Zündung am Staupunkt der Rückströmzone oder Rückströmblase einsetzt, welche die Funktion eines vorrichtungsfreien Flammenhalters erfüllt. Flüssige Brennstoffe werden vorzugsweise über eine zentrale Düse am Brennerkopf eingedüst und verdampfen dann im Kegelhohlraum. Eine weitere gewichtige Entwicklung auf dem Gebiet der Vormischbrenner betrifft den sogenannten

AEV-Brenner, wie er beispielsweise aus EP-A1 -704 657 bekannt geworden ist. Der vorgeschlagene Brenner weist kopfseitig einen Drallerzeuger auf, der die aerodynamischen Grundprinzipien des oben bereits beschriebenen EV- Brenners, beispielsweise gemäss EP-A1 -0 321 809, benutzt. Dieser Drallerzeuger ist stromauf einer Mischstrecke angeordnet, deren Aufbau weiter unten noch näher erläutert wird.. Grundsätzlich ist aber auch der Einsatz eines axialen oder radialen Drallerzeugers möglich. Des Weiteren ist es auch möglich, einen Drallerzeuger vorzusehen, welcher aus einem zylindrischen oder quasi-zylindrischen Rohr besteht, in welches die Luft über ähnliche Längsschlitze wie beim EV-Drallerzeuger ins Innere des Rohres strömt, wobei die erwünschte Drallbildung der Luft zur Maximierung der angestrebten Vormischung mit einem an passender Stelle eingedüsten Brennstoff durch einen konisch verlaufenden Innenkörper erfolgt, wobei sich dieser Innenkörper in Strömungsrichtung konisch verjüngt, womit auch hier die Voraussetzungen für eine effiziente Drallströmung gegeben sind. Sowohl alle hier genannten Ausführungsformen für die Drallerzeugung als auch die genannten Druckschriften sind einen integrierenden Bestandteil dieser Beschreibung. Die Mischstrecke selbst besteht vorzugsweise aus einem rohrförmigen Mischelement, im folgenden Mischrohr genannt, welches ein perfektes Vormischen des eingesetzten oder der eingesetzten Brennstoffe gestattet. Die Strömung aus dem Drallerzeuger wird dabei nahtlos in das Mischrohr übergeführt. Dies geschieht durch eine übergangsgeometrie, die aus übergangskanälen besteht, welche die Kopfpartie dieses Mischrohres bilden, und welche, wie bereits angedeutet, die Strömung in den anschliessenden effektiven Durchflussquerschnitt des Mischrohres überführen. Diese an sich verlustfreie Strömungseinleitung zwischen Drallerzeuger und Mischrohr verhindert zunächst die unmittelbare Bildung einer Rückströmzone am Ausgang des Drallerzeugers. Zunächst wird die Drallstärke im Drallerzeuger über seine Geometrie so gewählt, dass das Aufplatzen des Wirbels nicht im Mischrohr, sondern weiter stromab am Brennkammereintritt erfolgt, wobei die Länge dieses Mischrohres so dimensioniert ist, dass sich eine ausreichende Mischungsgüte für alle Brennstoffarten ergibt. Ist beispielsweise der eingesetzte Drallerzeuger nach den Grundzügen des Doppelkegelbrenners aufgebaut, so

ergibt sich die Drallstärke aus der Auslegung des entsprechenden Kegelwinkels, der Lufteintrittsschlitze und deren Anzahl. Im Mischrohr selbst besitzt das Axialgeschwindigkeits-Profil ein ausgeprägtes Maximum auf der Achse und verhindert dadurch Rückzündungen in diesem Bereich. Die Axialgeschwindigkeit fällt zur Wand hin ab. Um Rückzündungen auch in diesem Bereich zu unterbinden, werden verschiedene Vorkehrungen vorgesehen: Beispielsweise zum einen lässt sich das gesamte Geschwindigkeitsniveau durch Verwendung eines Mischrohres mit einem ausreichend kleinen Durchmesser anheben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, nur die Geschwindigkeit im Aussenbereich des Mischrohres zu erhöhen, indem ein kleiner Teil der Verbrennungsluft über einen Ringspalt oder durch Filmlegungsbohrungen stromab der übergangskanäle in das Mischrohr einströmt.

Häufig sind in solchen Brennern mehrere Brennstoffeinspritzdüsen vorgesehen, die in Gruppen angeordnet sind, um so in verschiedenen Lastbereichen eine stabile Verbrennung zu gewährleisten, z. B. besondere Pilotierungsdüsen für den unteren Lastbereich. Dabei kann sich die Flammenlage je nach Art der Pilotierung deutlich verschieben, und in einem solchen Fall kann es in übergangsbereichen zu thermoakustischen Schwankungen auch durch periodische Veränderung der Flammenfrontpositionen kommen.

Diese thermoakustischen Schwingungen stellen eine Gefahr für jede Art von Verbrennungsanwendung dar. Sie führen zu Druckschwingungen hoher Amplitude, zu einer Einschränkung des Betriebsbereiches und können die Schadstoffemissionen erhöhen. Dies trifft insbesondere für Verbrennungssysteme mit geringer akustischer Dämpfung zu, wie z. B.

Ringbrennkammern mit schallharten Wänden. Um in Bezug auf Pulsationen und Schadstoff-Emissionen eine hohe Leistungskonversion über einen weiten Betriebsbereich zu ermöglichen, kann eine aktive Kontrolle der Verbrennungsschwingungen notwendig sein. Im Stand der Technik bekannt als Verbrennungskonzepte für Teillastbetrieb von solchen Brennern sind beispielsweise sogenanntes Brenner-Staging, bei welchem einzelne Brenner gezielt abgeschaltet werden, so dass die restlichen

Brenner bei Volllast betrieben werden können. Insbesondere bei Ringbrennkammern mit mehreren, zueinander versetzten Brennerringen von unterschiedlichem Radius kann dieses Konzept ziemlich erfolgreich eingesetzt werden. Durch Brennstoff-Staging innerhalb eines Brenners lässt sich die Flammenposition beeinflussen und damit der Einfluss von Strömungsinstabilitäten als auch Zeitverzugseffekten vermindern (z.B. in der EP-A1 -1 292 795 beschrieben).

Ebenfalls bekannt ist es, so genannte Pilotlanzen in derartigen Brennern vorzusehen. Es kann nämlich Pilotbrennstoff (gasförmig oder flüssig) für den pilotierten Betrieb des Brenners zentral über eine Lanze zugeführt werden, wie dies beispielsweise in der EP-A1 -0 778 445 für den Fall eines Doppelkegelbrenners und in WO-A-93/17279 sowie EP-A1 -0 833 105 für Vormischbrenner ohne resp. mit nachgeschalteter Mischstrecke beschrieben wird.

Allgemeine Darstellung der Erfindung

Der hier neu vorgeschlagene Vormischbrenner soll die eingangs genannten Nachteile der Vormischbrenner nach dem Stand der Technik überwinden und es insbesondere ermöglichen, den Verbrennungsprozess auf unterschiedlichste Bedingungen einstellbar zu machen, so hinsichtlich der anliegenden Last, der Verbrennungsstabilität, der Verbrennungsqualität, der Betriebstemperaturen etc.

Insbesondere geht es darum, einen Vormischbrenner mit einem Drallerzeuger und einem nachgeschalteten Mischrohr für die Verbrennung von gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff zu verbessern. Bevorzugtermassen handelt es sich dabei um einen Vormischbrenner, bei welchem der typischerweise gasförmige Brennstoff beim Eintritt der Verbrennungsluft in den Brennerinnenraum des Drallerzeugers eingebracht werden kann und/oder der flüssige Brennstoff auf einer Brennerachse über eine zentrale Brennstoffdüse in den Brennerinnenraum des Drallerzeugers eingebracht werden kann.

Bevorzugtermassen verfügt der Brenner zudem über eine auf der Brennerachse angeordnete Brennstofflanze.

Die erhöhte Flexibilität bezüglich möglicher Betriebsweisen wird dadurch erreicht, dass im übergangsbereich vom Drallerzeuger zum Mischrohr wenigstens eine zusätzliche Zuführung zur Einbringung von gasförmigem und/oder flüssigem Vormischbrennstoff vom Wandbereich in den Brennerinnenraum des Mischrohres vorgesehen ist. Mit anderen Worten geht es darum, Verteilleitungen für Brennstoff sowie an diese angebundene Austrittsöffnungen für den Brennstoff im Bereich des übergangs zwischen Drallerzeuger und Mischstrecke, gegebenenfalls in Strömungsrichtung bis 50% der Länge der Mischstrecke in diese hinein, vorzusehen. Als übergangsbereich zwischen diesen beiden Bereichen ist dabei mit anderen Worten ein Bereich zu verstehen, welcher auch noch die letzten 20 bis 30% der Länge des Drallerzeugers umfassen kann und normalerweise 20 bis 30% der Länge des Mischrohres in dieses hineinreicht. Durch diese zusätzlichen Zuführungen lässt sich in sehr effizienter Weise ein fein abstimmbares, und auf unterschiedlichste Betriebszustände einstellbares Brennstoff-Staging sehr flexibel realisieren. Dies bevorzugt sowohl für den Betrieb mit flüssigem Brennstoff als auch mit gasförmigem Brennstoff. Durch diese Zuführungen kann entweder Erdgas oder Synthesegas oder auch flüssiger Brennstoff (beispielsweise Erdöl) zugeführt werden.

Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist der Vormischbrenner dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine auf der Brennerachse angeordnete Brennstofflanze vorhanden ist, welche sich wenigstens teilweise bis in das Mischrohr erstreckt, vorzugsweise im Bereich von 40-60% der Länge des Mischrohres in dieses erstreckt. Diese Brennstofflanze dient dabei einerseits für die Einbringung von Pilotbrennstoff im Bereich des Ausgangs der Mischstrecke, andererseits dient die Brennstofflanze aber auch dazu, die interne Rezirkulationszone zu modifizieren und zu stabilisieren, dies nicht nur durch ihre Anwesenheit sondern auch durch in der Brennstofflanze angeordnete Mittel zur Einbringung von Brennstoff und gegebenenfalls auch Luft.

Gemäss einer besonderen Ausführungsform einer derartigen Brennstofflanze ist diese derart ausgebildet, dass sowohl flüssiger als auch gasförmiger Brennstoff über die Brennstofflanze in den Brennehnnenraum des Mischrohres eingebracht werden kann. Dies erhöht die Flexibilität hinsichtlich der möglichen Brennstoffe.

Vorteilhafter Weise wird die Brennstofflanze derart ausgestaltet, dass an der Spitze der Brennstofflanze sowohl flüssiger Pilotbrennstoff als auch gasförmiger Pilotbrennstoff in den Brennerinnenraum des Mischrohres eingebracht werden kann. Bevorzugtermassen wird dabei die Eindüsung des flüssigen Brennstoffs zentral vorgenommen. Dies bedeutet, dass bevorzugtermassen der flüssige Pilotbrennstoff über wenigstens eine im wesentlichen auf der Brennerachse angeordnete öffnung respektive Brennstoffdüse eingebracht werden kann. Weiterhin bevorzugt wird der gasförmige Pilotbrennstoff über eine Mehrzahl (beispielsweise ein ganzer Kranz) von radial nach aussen versetzten öffnungen an der Spitze der Brennstofflanze eingebracht. Die entsprechenden Düsen sowohl für den flüssigen als auch für den gasförmigem Brennstoff können hinsichtlich der Einbildungsrichtung respektive der Verteilerwirkung für den Brennstoff bevorzugtermassen so eingestellt werden, dass sich für die unterschiedlichen Staging-Zustände eine optimale Vermischung mit dem Verbrennungsluftstrom einstellt.

Bevorzugtermassen ist auch die Brennstofflanze ein Hilfsmittel für das eigentliche Staging innerhalb des Brenners. Zu diesem Zweck ist gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Brennstofflanze derart ausgebildet, dass flüssiger Vormischbrennstoff im übergangsbereich in den Brennerinnenraum in radialer Richtung, das heisst radial nach aussen, wobei auch eine axiale Komponente in Strömungsrichtung respektive eine auf den Drall angepasste Eindüsung Richtung möglich ist, eingebracht werden kann. Zu diesem Zweck sind vorzugsweise entlang der Brennstofflanze verschiedene, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Reihen oder Gruppen von öffnungen vorhanden, und diese Reihen können separat mit flüssigem

Brennstoff angesteuert werden. Wenn nicht nur eine derartige Reihe vorhanden ist sondern mehrere in Strömungsrichtung hintereinander geschaltete Reihen,

sind die öffnungen von verschiedenen Reihen oder Gruppen in Strömungshchtung bevorzugtermassen versetzt angeordnet. Dies bedeutet, die Eindüsungsöffnungen sind nicht nur in axialer Richtung versetzt (verschiedene Gruppen), sondern vorzugsweise sind öffnungen von verschiedenen Gruppen in Strömungshchtung nicht so hintereinander angeordnet, dass bei normalen Betriebsbedingungen der Brennstoff einer stromauf angeordneten öffnung direkt auf den Brennstoff einer stromab angeordneten öffnung "auftrifft". So kann eine optimale Vermischung mit der Verbrennungsluft erreicht werden, da die einzelnen Brennstoffsäulen von individuellen öffnungen genau im gewünschten Masse nebeneinander geführt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Verbrennungsluftstrom einem Drall unterworfen ist, das heisst unter versetzt ist unter anderem auch zu verstehen, versetzt hinsichtlich der normalen rotierenden Verbrennungsluftströmung.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofflanze derart ausgebildet ist, dass gasförmiger Vormischbrennstoff im übergangsbereich in den Brennerinnenraum in radialer Richtung eingebracht werden kann, wobei vorzugsweise entlang der Brennstofflanze verschiedene, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Reihen oder Gruppen von öffnungen vorhanden sind, und diese Reihen separat mit gasförmigem Brennstoff angesteuert werden können, und wobei insbesondere bevorzugt die öffnungen von verschiedenen Reihen oder Gruppen in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind.

Bevorzugtermassen verfügt die Brennstofflanze sowohl über derartige Gruppen für flüssigen Brennstoff als auch für derartige Gruppen für gasförmigem Brennstoff.

In konstruktiver Hinsicht lässt sich das obige beispielsweise realisieren, indem die Brennstofflanze aus wenigstens einem äusseren Rohr mit einem inneren koaxial angeordneten inneren Rohr und/oder mit radial verlaufenden Trennwänden zur separat kontrollierbaren Zuführung von flüssigem respektive gasförmigem Brennstoff als Pilotbrennstoff zur Spitze der Brennstofflanze und/oder als Vormischbrennstoff zur Einbringung im übergangsbereich ausgestaltet wird.

Im übergangsbereich, insbesondere bevorzugt im Bereich von dort angeordneten übergangskanälen ist gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Zuführung für flüssigen Brennstoff angeordnet. Diese Zuführung verfügt bevorzugtermassen über wenigstens eine Reihe von Austrittsöffnungen für flüssigen Brennstoff, wobei insbesondere wenigstens eine Reihe von in Strömungsrichtung im wesentlichen auf gleicher Höhe angeordneten Austrittsöffnungen angeordnet ist. Dabei können bevorzugt bei Anwesenheit von mehreren derartigen Reihen von Austrittsöffnungen diese separat angesteuert werden (gegebenenfalls können auch Gruppen von Austrittsöffnungen separat angesteuert werden). Weiterhin bevorzugt sind diese öffnungen in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind und/oder von unterschiedlicher Grosse ausgebildet. Bevorzugtermassen sind die öffnungen hinsichtlich der Eindüsungsrichtung so eingestellt, dass insbesondere die Wandbereiche nicht mit Brennstoff beaufschlagt werden, und dass genau die gewünschte Vermischung respektive separate Ausbildung von Brennstoffsäulen innerhalb der Mischstrecke entsteht.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass im übergangsbereich, insbesondere bevorzugt im Bereich von oder unmittelbar stromab von dort angeordneten übergangskanälen, wenigstens eine Zuführung für gasförmigen Brennstoff angeordnet ist, wobei diese Zuführung bevorzugtermassen gasförmigen Brennstoff über wenigstens eine Reihe von Austrittsöffnungen einbringt. Dabei ist auch im Fall von gasförmigem Brennstoff bevorzugt, wenn wenigstens eine Reihe von in Strömungsrichtung im wesentlichen auf gleicher Höhe angeordneten Austrittsöffnungen angeordnet ist, und wobei insbesondere bevorzugt bei Anwesenheit von mehreren derartigen Reihen von Austrittsöffnungen diese separat angesteuert werden können, und/oder in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind, und/oder von unterschiedlicher Grosse ausgebildet sind und/oder hinsichtlich der Eindüsungsrichtung so eingestellt sind, dass insbesondere die Wandbereiche nicht mit Brennstoff ungewünscht beaufschlagt werden.

Typischerweise umfasst die wenigstens eine Zuführung wenigstens eine wenigstens teilweise umlaufende Verteilleitung, welche über eine regelbare

Zuführung mit Brennstoff angesteuert wird.

Generell bevorzugtermassen handelt es sich beim Drallerzeuger um einen Doppelkegelbrenner oder einen Mehrfachkegelbrenner, welcher über zwei respektive eine Mehrzahl von Teilkegelkörpern verfügt, welche derart gegeneinander versetzt sind, dass die Verbrennungsluft durch dabei gebildete tangentiale Lufteintrittsschlitze in den Brennerinnenraum des Drallerzeugers eintritt, wobei flüssiger Brennstoff über eine zentrale Brennstoffdüse und/oder gasförmiger Brennstoff an den genannten Lufteintrittsschlitzen eingebracht werden kann. Bevorzugtermassen handelt es sich also beim Drallerzeuger um einen Aufbau wie er in der EP-A1 -0 321 809 beschrieben wird. Entsprechend wird der Offenbarungsgehalt der EP-A1 -0 321 809 bezüglich der Bauweise des Drallerzeugers ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Dokumentation eingeschlossen.

Weiterhin generell bevorzugtermassen sind in einem übergangsbereich zwischen Drallerzeuger und Mischrohr übergangskanäle zur überführung einer im Drallerzeuger gebildeten Strömung in den stromab der übergangskanäle nachgeschalteten Durchflussquerschnitt des Mischrohres angeordnet.

Bevorzugtermassen handelt es sich also bei der Mischstrecke um eine

Mischstrecke, wie sie in der EP-A1 -0 704 657 beschrieben wird, und auch deren Offenbarungsgehalt wird bezüglich der Bauweise der Mischstrecke respektive deren Anbindung an den Drallerzeuger ausdrücklich in diese

Offenbarung mit eingeschlossen.

Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners, wie er oben beschrieben wurde. Das Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass für ein Brennstoff-Staging für unterschiedliche Betriebzustände die unterschiedlichen oben beschriebenen Mittel zur Einbringung von flüssigem und/oder gasförmigem Brennstoff im Wandbereich und/oder über die Brennstofflanze in Abhängigkeit der Last respektive der zu erzeugenden Leistung und/oder der Verbrennungsqualität respektive Verbrennungsstabilität insbesondere auch hinsichtlich

Schadstoffemission einzeln und/oder in Kombination angesteuert werden.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei unterschiedliche Stufen für den Betrieb mit gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff unter Verwendung von wenigstens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Zuführungen oder unter Verwendung von wenigstens einer Zuführung im übergangsbereich über eine Brennstofflanze und wenigstens einer Zuführung im übergangsbereich vom Wandbereich in den Brennerinnenraum eingesetzt werden. Zusätzlich kann über die Spitze der Brennstofflanze gasförmiger und/oder flüssiger Pilotbrennstoff in den Verbrennungsluftstrom eingebracht werden. Generell können Erdgas und/oder Synthesegas und/oder Erdöl als Brennstoff verwendet werden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Kurze Erläuterung der Figuren

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele dienen zur Illustration der Erfindung und sollen nicht in einschränkender Weise bei der Interpretation des Schutzgegenstandes, wie er in den am Ende aufgeführten Ansprüchen definiert ist, hinzugezogen werden.

Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke mit langer Brennstofflanze und mit im übergangsbereich angeordneten zusätzlichen Zuführungen von flüssigem und gasförmigem Brennstoff;

Fig. 3 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem aus der ersten Zuführung für gasförmigen Brennstoff Vormischgas

eingebracht wird;

Fig. 4 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem aus der ersten Zuführung für gasförmigen Brennstoff Vormischgas sowie gleichzeitig Pilotgas über die Spitze der Brennstofflanze eingeführt wird;

Fig. 5 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem aus der ersten Zuführung für gasförmigen Brennstoff sowie aus einem mittleren Bereich der Brennstofflanze Vormischgas eingeführt wird;

Fig. 6 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem aus der ersten Zuführung für gasförmigen Brennstoff und aus einem mittleren Bereich der Brennstofflanze Vormischgas eingeführt wird, sowie gleichzeitig Pilotgas über die Spitze der Brennstofflanze zugeführt wird;

Fig. 7 einen Schnitt senkrecht zur Brennerachse im Mischrohr für einen

Betrieb gemäss Figur 5; Fig. 8 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem Pilotgas über die Spitze der Brennstofflanze eingeführt wird;

Fig. 9 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem flüssiger Pilotbrennstoff über die Spitze der Brennstofflanze eingeführt wird;

Fig. 10 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem flüssiger Pilotbrennstoff über die Spitze der Brennstofflanze eingeführt wird sowie gleichzeitig flüssiger Vormischbrennstoff über die zentrale Brennstofflanze aus zwei verschiedenen Stufen;

Fig. 1 1 einen Schnitt senkrecht zur Brennerachse im Mischrohr für einen

Betrieb gemäss Figur 10 aber ohne Zuführung von flüssigem Pilotbrennstoff über die Spitze der Brennstofflanze;

Fig. 12 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem flüssiger Pilotbrennstoff über die Spitze der Brennstofflanze eingeführt wird sowie gleichzeitig flüssiger Vormischbrennstoff über aussenseitige Zuführung aus zwei verschiedenen Stufen;

Fig. 13 einen Schnitt senkrecht zur Brennerachse im Mischrohr für einen Betrieb gemäss Figur 12 aber ohne Zuführung von flüssigem

Pilotbrennstoff über die Spitze der Brennstofflanze;

Fig. 14 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem flüssiger Pilotbrennstoff über die Spitze der Brennstofflanze eingeführt wird sowie gleichzeitig flüssiger Vormischbrennstoff über aussenseitige Zuführung aus einer Stufe und gleichzeitig flüssiger Vormischbrennstoff über die zentrale Brennstofflanze aus einer Stufe; und

Fig. 15 einen axialen Schnitt durch einen Vormischbrenner mit nachgeschalteter Mischstrecke nach Figur 2, bei welchem gasförmiger Vormischbrennstoff über beide aussenseitigen Zuführungen eingebracht wird.

Wege zur Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt einen sogenannten AEV-Brenner, wie er in der EP-A1 -0 704 657 im Stand der Technik beschrieben ist. Ein derartiger Vormischbrenner umfasst einen Drallerzeuger 1 und ein stromab davon angeordnetes Mischrohr 2 (auch Mischstrecke genannt). Ein derartiger Brenner grenzt an einen Brennraum 3, in dessen rückseitiger Wand die Brenner normalerweise mit einem Brennerfrontelement 10 eingelassen sind.

Der Drallerzeuger ist dabei grundsätzlich ausgebildet, wie es in der EP-A1 -0 321 809 beschrieben ist. Der Drallerzeuger 1 umfasst mit anderen Worten zwei gegeneinander versetzte Teilkegelkörper 14. Durch die Versetzung dieser Teilkegelkörper 14 resultiert zwischen diesen beiden auf beiden Seiten je ein tangentialer Lufteintrittsschlitz 17. Im Inneren der beiden Teilkegelkörper 14 wird der Brennerinnenraum 16 des Drallerzeugers gebildet. Verbrennungsluft 4 tritt durch diese tangentialen Lufteintrittsschlitze 7 in den Brennerinnenraum 16 ein und bildet einen rotierenden und nach vorne fortschreitenden, drallbehafteten Verbrennungsluftstrom. In diesen Verbrennungsluftstrom kann einerseits über eine zentrale Brennstoffdüse 5 für flüssigen Brennstoff 39 im Wesentlichen auf der Brennerachse 12 eingebracht werden. Alternativ ist es möglich, gasförmigen Brennstoff im Bereich der tangentialen Lufteintrittsschlitze 7 einzubringen. Normalerweise sind dazu bei den tangentialen Lufteintrittsschlitzen 7 und parallel zu diesen verlaufende Leitungen für gasförmigen Brennstoff vorgesehen, welche über mehrere entlang der Lufteintrittsschlitze verteilte öffnungen den gasförmigen Brennstoff 13 in den Verbrennungsluftstrom 4 im Moment seines Eintretens in den Brennerinnenraum 16 einbringen.

Stromab dieses Drallerzeugers 1 ist das Mischrohr 2 angeordnet. Dazwischen gibt es einen übergangsbereich 40. In diesem übergangsbereich wird unter Zuhilfenahme von übergangskanälen sichergestellt, dass ein optimaler Eintritt des drallbehafteten Luftstroms aus dem Brennerinnenraum 16 des Drallerzeugers 1 in den Brennerinnenraum 17 der Mischstrecke erfolgt. Es handelt sich dabei um Führungselemente, wie sie bspw. in der EP-A1 -0 704 657 beschrieben sind. Die übergangskanäle sind in einem übergangsstück 8 angeordnet.

Stromab schliesst an dieses übergangsstück 8 ein Rohrbereich 9 an, und am Ende der Brennerfront schliesst sich das Brennerfrontelement 10 an, um den übergang zur eigentlichen Brennkammer zu gewährleisten. In Figur 1 ist ausserdem das Geschwindigkeitsprofil 11 in axialer Richtung dargestellt, und es wird ersichtlich, dass auf der Brennerachse 12 eine maximale Geschwindigkeit in axialer Richtung vorliegt.

Im Zusammenhang mit einer derartigen Brennerbauweise soll nun eine Struktur zur Verfügung gestellt werden, welche eine gestufte Betriebsweise (Staging) erlaubt, die es ermöglicht, den Brenner unter unterschiedlichsten Bedingungen stets optimal betreiben zu können. Dazu sind zusätzliche Möglichkeiten zur Einbringung von gasförmigem resp. flüssigem Brennstoff vorgesehen sowie zusätzlich eine zentrale Brennstofflanze.

Die Hauptkomponenten des vorgeschlagenen modifizierten AEV-Brenners sind in Figur 2 dargestellt. Einerseits wird eine zentrale Brennstofflanze 15 auf der Brennerachse 12 vorgesehen. Diese Brennstofflanze 15 erstreckt sich durch den Drallerzeuger 1 hindurch und weit in das Mischrohr 2 hinein. Es handelt sich also um eine aussergewöhnlich lange Brennstofflanze, die nach dem Stand der Technik vorgeschlagenen Brennstofflanzen im Zusammenhang mit einem Brenner mit nachgeschalteter Mischstrecke erstrecken sich normalerweise nur über die Länge des Drallerzeugers. Diese Brennstofflanze verfügt über einerseits die Möglichkeit der Einbringung von gasförmigem Brennstoff sowie auch andererseits über die Möglichkeit der Einbringung von flüssigem Brennstoff. Einerseits sind bei dieser Brennstofflanze 15 an deren Spitze Pilotdüsen angeordnet, wenigstens eine zentrale Pilotdüse für die Einbringung von flüssigem Pilotbrennstoff, und eine Mehrzahl resp. ein Kranz von Düsen ebenfalls an der Spitze für die Einbringung von gasförmigem Brennstoff (vgl. Beschreibung weiter unten). Des Weiteren verfügt die Brennstofflanze 15 über in deren mittlerem Bereich angeordnete Austrittsöffnungen für flüssigen und gasförmigem Brennstoff. Dabei sind vorteilhafterweise mehrere Gruppen von öffnungen für flüssigen Brennstoff in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet, wobei diese Gruppen separat angesteuert werden können. Gleichermassen sind derartige Gruppen für gasförmigen Brennstoff vorhanden. Vorteilhafterweise sind diese Düsen resp. öffnungen zur Einbringung des Brennstoffs, welche in grosserem Detail weiter unten beschrieben werden, in einem mittleren Bereich der Brennstofflanze angeordnet, das heisst im übergangsbereich 40 zwischen dem Drallerzeuger 1 und dem Mischrohr 2.

Neben der Brennstofflanze ist eine Zuführung 18 für flüssigen Brennstoff

angeordnet. Es handelt sich dabei um eine umlaufende, im übergangsstück 8 eingelassene Brennstoffleitung für flüssigen Brennstoff, welche über eine Vielzahl von um den Umfang verteilte öffnungen zur Einbringung von flüssigem Brennstoff verfügt. Dabei können genau wie bei der Brennstofflanze verschiedene in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Gruppen von derartigen öffnungen angeordnet sein. Diese öffnungen sind mit anderen Worten in Strömungsrichtung versetzt angeordnet. Damit sich die Brennstoffsäulen, die aus diesen öffnungen austreten und ausbilden, bei den verschiedenen hintereinander geschaltenen Gruppen nicht in die Quere kommen, sind die öffnungen von verschiedenen Gruppen auch in Umfangshchtung versetzt angeordnet.

Etwas weiter stromab ist eine erste aussenseitige Zuführung für gasförmigen Brennstoff, normalerweise Erdgas, vorgesehen. Diese Zuführung 19 wird über eine Zuführungsleitung 20 vorgenommen und ist ebenfalls als umlaufender Kanal ausgebildet, welcher über in den übergangsbereich 40 mündende Austrittsöffnungen 21 für den gasförmigen Brennstoff verfügt.

Des Weiteren ist eine zweite aussenseitige Zuführung für gasförmigen Brennstoff 22 vorgesehen, welche ihrerseits über eine

Brennstoffzuführungsleitung 23 mit gasförmigem Brennstoff versorgt wird. Auch hier ist ein umlaufender Kanal für den gasförmigen Brennstoff (bspw.

Synthesegas) vorgesehen, und dieser umlaufende Kanal mündet über eine Vielzahl von auf dem Umfang verteilten Austrittsöffnungen 24 in den Brennerinnenraum 17.

Die beiden Gruppen von öffnungen 21 resp. 24 werden auch hier vorteilhafterweise versetzt angeordnet und zwar in Umfangsrichtung, so dass die Brennstoffsäulen dieser beiden Gruppen sich nicht in unerwünschter Weise überlappen.

Des Weiteren kann generell bei den Austrittsöffnungen sowohl für gasförmigen wie auch für flüssigen Brennstoff der Injektionswinkel so ausgewählt werden, dass unmittelbar in Strömungsrichtung stromab der öffnungen möglichst kein Kontakt des Brennstoffs mit der Wand stattfindet und entsprechend die

kontinuierliche Spülung von nicht in Betrieb befindlichen Brennstoffleitungen vermieden werden kann, und das Risiko von Rückzündungen eliminiert werden kann.

In der Folge sollen unterschiedliche Betriebsmöglichkeiten eines derartigen Brenners anhand der Figuren 3 bis 15 erläutert werden.

Figur 3 zeigt eine Betriebsweise mit Gas im Vormischmodus mit Verwendung der äusseren Injektoren des ersten aussenseitigen Zuführungssystems 19. Hier wird ersichtlich, wie sich in der Mischstrecke eine der Anzahl der Austrittsöffnungen 21 entsprechende Zahl von gasförmigen Brennstoffsäulen 25 ausbildet, welche sich sukzessive mit dem Verbrennungsluftstrom vermischen und erweitern.

In Figur 4 ist dargestellt, wie bei einer derartigen Betriebsweise gemäss Figur 3 zusätzlich Pilotgas über die Spitze der Brennstofflanze eingebracht werden kann. Das Pilotgas wird über Pilotgasöffnungen 27 eingebracht und bildet seinerseits Pilotgas-Brennstoffsäulen 26.

In Figur 5 ist dargestellt, wie zusätzlich zur in Figur 3 dargestellten Einbringung von Vormischgas über das System 19 weiteres Vormischgas über die Brennstofflanze eingebracht werden kann. Zu diesem Zweck verfügt die Brennstofflanze über im übergangsbereich 40 angeordnete Vormisch- gasöffnungen 29. Diese Vormischgasöffnungen sind über den Umfang der äusseren Wandung der Brennstofflanze 15 verteilt und bilden eine der Anzahl dieser öffnungen 29 entsprechende Zahl von Brennstoffsäulen aus. Bevorzugtermassen sind die öffnungen 29 und 21 auch in Umfangshchtung versetzt, so dass sich die Brennstoffsäulen 28 und 25 nicht negativ überlappen. In Figur 6 ist dargestellt, wie sich in einer weiteren Variante der Betriebsweise die Einbringung von gasförmigem Brennstoff über die Lanze unter Ausbildung der Brennstoffsäulen 28 und die Einbringung von Brennstoff über das System 19 unter Ausbildung der Brennstoffsäulen 25 mit der Einbringung von Pilotbrennstoff über die Spitze der Brennstofflanze 15 unter Ausbildung der Brennstoffsäulen 26 kombinieren lässt.

In Figur 7 ist in einem Schnitt senkrecht zur Brennerachse durch die

Mischstrecke dargestellt, wie sich die einzelnen Brennstoffsäulen 25 resp. 28 ausbilden. Dabei kann erkannt werden, dass die Brennstoffsäulen der beiden Gruppen 25 resp. 28 jeweils versetzt angeordnet sind, und dass in diesem Fall jede Gruppe acht Brennstoffsäulen bildet, das heisst es sind sowohl beim System 19 wie auch beim System an der Brennstofflanze acht öffnungen gleichmässig um den Umfang verteilt angeordnet. Des Weiteren kann erkannt werden, wie in diesem Fall die öffnungen beim System 19 grösser ausgebildet sind resp. beim System 19 ein grosserer Massenfluss des gasförmigen Brennstoffs eingestellt wird, so dass sich kräftigere Brennstoffsäulen ausbilden. In Figur 8 ist der Vollständigkeit halber dargestellt, wie ein derartiger Brenner auch allein unter Betrieb der Pilotdüsen 27 für gasförmigen Brennstoff unter Ausbildung der Brennstoffsäulen 26 gefahren werden kann. Des Weiteren sei hervorgehoben, dass auch weiterer gasförmiger Brennstoff im Bereich der Eintrittsschlitze zugeführt werden kann, sollte dies erwünscht sein. So wird ersichtlich, dass für den Betrieb mit gasförmigem Brennstoff unterschiedlichste Stufen der Brennerführung vorgesehen werden können, was einen sehr flexiblen Betrieb ermöglicht.

In Figur 9 ist nun die Betriebsweise mit flüssigem Brennstoff dargestellt, wobei in diesem Fall nur Pilotbrennstoff zentral über eine öffnung 291 in der Spitze der Brennstofflanze 15 eingebracht wird, so dass sich eine einzige zentrale Brennstoffsäule 281 ausbildet.

Eine derartige Betriebsweise kann kombiniert werden, wie dies in Figur 10 dargestellt ist, mit der Einbringung von flüssigem Vormischbrennstoff über zwei Gruppen von öffnungen in der Brennstofflanze. Dabei gibt es eine erste stromaufwärts angeordnete Reihe 31 von Austrittsöffnungen für

Vormischbrennstoff im mittleren Bereich der Brennstofflanze. Des Weiteren gibt es eine zweite Reihe 33, welche etwas weiter stromab angeordnet ist. Die öffnungen dieser beiden Reihen sind ebenfalls in Umfangshchtung versetzt angeordnet und die erste Reihe der öffnungen 31 führt zur Ausbildung von Brennstoffsäulen 30. Die zweite Reihe 33 zur Ausbildung von Brennstoffsäulen 32.

Wie aus einem Schnitt senkrecht zur Brennerachse 12 gemäss Figur 11 ersichtlich wird, stellt sich bei dieser Betriebsweise eine Verteilung der Brennstoffsäulen resp. Brennstoff-Trajektohen ein, welche wiederum die versetzten öffnungen 31 resp. 33 reflektiert und welche sichtbar macht, dass in diesem Fall die öffnungen 31 grösser ausgebildet sind resp. mit einem grosseren Massenfluss angesteuert werden, so dass sich kräftigere Brennstoffsäulen 30 ausbilden.

In Figur 12 wird ebenfalls eine Betriebsweise mit flüssigem Brennstoff dargestellt. Hier wird nun aber der flüssige Brennstoff über das System 18 zugeführt. Das System 18 im übergangsbereich 40 verfügt dazu ebenfalls über zwei Gruppen von über den Umfang verteilten öffnungen. Eine erste Gruppe von öffnungen ist weiter stromaufwärts angeordnet und bildet die Gruppe 35 von öffnungen. Eine zweite Gruppe von öffnungen 37, welche in diesem Fall über die gleiche Leitung gespiesen wird, ist etwas weiter stromab angeordnet. Auch hier sind die öffnungen 35 und 37 in Umfangshchtung versetzt angeordnet. Die öffnungen 35 sind grösser ausgebildet als die öffnungen 37, und in diesem Fall ist auch die Anzahl der öffnungen der beiden Gruppen 35 resp. 37 nicht gleich.

Namentlich gibt es, wie dies aus einem Schnitt gemäss Figur 13 ersichtlich wird, nur vier öffnungen 35 und zwölf öffnungen 37.

Aus Figur 14 wird ersichtlich, dass die weiter oben beschriebenen Betriebsweisen für flüssigen Vormischbrennstoff unter Einbringung über die Brennstofflanze resp. über das System 18 auch gemischt betrieben werden können. So kann hier erkannt werden, dass über die Brennstofflanze über eine Gruppe von öffnungen 33 eine weitere Mehrzahl von Brennstoffsäulen 32 ausgebildet wird, hier zusammen mit der Einbringung von Pilotbrennstoff 28, welche neben der Einbringung über das System 18 unter Ausbildung der Säulen 36 vorliegt.

Abschliessend zeigt Figur 15 die Möglichkeit des Einsatzes der beiden Systeme 19 und 22 für die Einbringung von gasförmigem Brennstoff. Dabei bilden sich aufgrund des Eintrags über die öffnungen 21 des Systems 19 die bereits weiter

oben beschriebenen Brennstoffsäulen 25 und zusätzlich in Folge der Eintrittsöffnungen 24 des Systems 22 die Brennstoffsäulen 38. Diese Betriebsweise ist bspw. für Synthesegas besonders geeignet.

Die obigen Betriebsweisen ergeben die folgenden Vorteile: Das Pilotgas und der flüssige Pilotbrennstoff wird auf die zentraler Rezirkulationszone gerichtet. Was die Löschgrenze angeht, ist dies die effizienteste Art der Pilotierung eines Brenners.

Durch die zentrale Pilotierung ergibt sich kein Risiko der überhitzung, da die frei fliessende angereicherte Zone nicht auf Materialoberflächen auftreffen kann. Vormischgas und -öl können auf zwei unterschiedliche Injektoren aufgeteilt werden, was die Vermischung erhöht (zweiseitig und versetzte Injektion für optimale Penetration und Mischung).

Erhöhte Resistenz gegenüber Flammenrückschlag dank der Abwesenheit von Brennstoff auf der Achse und an den Wandbereichen stromab des übergangsstücks.

Extrem flexible Möglichkeit der Modifikation des Flussfeldes und der Verbrennungsstabilität mit axialer, oder aber auch mit dem Strom resp. gegen den Strom gerichteter Injektion an der Spitze der Brennstofflanze.

Bezugszeichenliste

1 Drallerzeuger

2 Mischrohr

3 Brennkammer 4 Verbrennungsluftstrom

5 zentrale Brennstoffdüse für flüssigen Brennstoff

6 übergangskanäle

7 tangentiale Lufteintrittsschlitze

8 Buchsenring mit übergangsstück 9 Rohr

10 Brennerfrontelement

1 1 axiale Geschwindigkeitsverteilung

12 Brennerachse

13 Eindüsung gasförmiger Brennstoff bei 7 14 Teilkegelkörper

15 Brennstofflanze

16 Brennerinnenraum von Drallerzeuger

17 Brennerinnenraum von Mischstrecke

18 Zuführung für flüssigen Brennstoff 19 erste aussenseitige Zuführung für gasförmigen Brennstoff (z. B. Erdgas oder Synthesegas)

20 Zuleitung für 19

21 Austrittsöffnungen von 19

22 zweite aussenseitige Zuführung für gasförmigen Brennstoff (z. B. Synthesegas)

23 Zuleitung für 22

24 Austrittsöffnungen von 22

25 Vormischgasstrom aus erster aussenseitiger Zuführung

26 Pilotgas aus Spitze von 15

27 Pilotgas-öffnungen in Spitze von 15 28 Vormischgasstrom aus mittlerem Bereich von 15

29 Vormischgas-öffnungen in 15

281 flüssiger Pilotbrennstoff aus Spitze von 15

291 öffnung(en) für flüssigen Pilotbrennstoff in Spitze von 15

30 flüssiger Vormischbrennstoff aus erster Reihe aus 15 31 erste Reihe von Austrittsöffnungen für flüssigen Vormischbrennstoff in mittleren Bereich von 15

32 flüssiger Vormischbrennstoff aus zweiter Reihe aus 15

33 zweite Reihe von Austrittsöffnungen für flüssigen Vormischbrennstoff im mittleren Bereich von 15 34 flüssiger Vormischbrennstoff aus erster Reihe aus 18

35 erste Reihe von Austrittsöffnungen für flüssigen Vormischbrennstoff aus 18

36 flüssiger Vormischbrennstoff aus zweiter Reihe aus 18

37 zweite Reihe von Austrittsöffnungen für flüssigen Vormischbrennstoff aus 18

38 Vormischgasstrom aus zweiter aussenseitiger Zuführung

39 flüssiger Brennstoff aus 5

40 übergangsbereich