KÖSTLIN, Berthold (Lotharstr. 154, Duisburg, 47057, DE)
PRADE, Bernd (Siepmanns Hof 16, Mülheim, 45479, DE)
KOCK, Boris Ferdinand (Gerhardstraße 11, Ratingen, 40878, DE)
KÖSTLIN, Berthold (Lotharstr. 154, Duisburg, 47057, DE)
PRADE, Bernd (Siepmanns Hof 16, Mülheim, 45479, DE)
| Patentansprüche 1. Turbinenbrenner der eine Sekundärzuführeinheit zur Zuführung eines Sekundärbrennstoffes oder Luft und zum Entladen des Brennstoffes oder Luft von einer Öffnung (6) in eine Verbrennungszone (10) aufweist und eine Primärzuführeinheit, welche eine Primärmischröhre (11) und eine Brennstoffdüse (1) mit einem in die Verbrennungszone weisenden Brennstoffdüsen- austritt(4) zur Zuführung eines Primärbrennstoffes aufweist, wobei die Brennstoffdüse (1) sowie die Primärmischröhre (11) konzentrisch um die Sekundärzuführeinheit angeordnet ist, wo¬ bei die Primärmischröhre (11) und die Brennstoffdüse (1) eine Fluidflussverbindung aufweisen, wobei die Brennstoffdüse (1) eine ringförmige Wand (9) aufweist, welche in axialer Rich- tung radial von der Sekundärzuführeinheit beabstandet ist, so dass durch die ringförmige Wand (9) und Sekundärzuführeinheit eine Spalthöhe (h) ausgebildet wird, wobei die ringförmige Wand (9) der Brennstoffdüse (1) eine zur Sekundärzufuhrein¬ heit gerichtete Innenwand (50) aufweist, wobei zwischen Se- kundärzuführeinheit und der ringförmigen Wand (9) ein Fluid- kanal ausgebildet wird, und in dem Fluidkanal Schaufeln (12) angeordnet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die die Schaufeln (12) auf ihrer stromaufwärtigen Seite eine Schau- felanströmkante (51) aufweisen und die Brennstoffdüse (1) ei¬ nen Brennstoffdüseneinlass (20) aufweist und die Schaufeln (12) einen axialen Abstand (s) zu diesem Brennstoffdüseneinlass (20) aufweisen, wobei das Verhältnis des Abstands (s) und der Spalthöhe (h) größer als 1 und kleiner als 4 ist. 2. Turbinenbrenner nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Schaufeln (12) ringförmig über den Umfang der Innenwand (50) angeordnet sind. 3. Turbinenbrenner nach Anspruch 1 oder 2, die Sekundärzuführeinheit eine zur Brennstoffdüse (1) gerich¬ tete Außenwand aufweist, wobei die Außenwand der Sekundärzu- fuhreinheit Schaufeln (12) aufweist, wobei die Schaufeln (12) ringförmig über den gesamten Umfang der Außenwand angeordnet sind . 4. Turbinenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Brennstoffdüse (1) in Strömungsrichtung zumindest teilweise konisch ausgebildet ist. 5. Turbinenbrenner nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Brennstoffdüse (1) in Strömungsrichtung nach den Schaufeln (12) gesehen eine kontinuierliche Reduktion der Spalthöhe (h) aufweist . 6. Turbinenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Brennstoffdüseneinlass (20) abgerundet ist, wobei die Abrun- dung einen Brennstoffdüseneinlassradius (Re) aufweist, wobei die Abrundung von einem Brennstoffdüseninneren weg weist. 7. Turbinenbrenner nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Verhältnis von Brennstoffdüseneinlassradius (Re) und die Spalthöhe (h) größer aus 0.2 und kleiner als 0.8 ist. 8. Turbinenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Brennstoffdüse (1) einen äußeren Brennstoffdüsenradius (Ra) aufweist. 9. Turbinenbrenner nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s am Brennstoffdüseneintritt (20) das Verhältnis der Spalthöhe (h) und des Brennstoffdüsenradius (Ra) größer als 0.2 und kleiner als 0.3 ist . 10. Turbinenbrenner nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Se¬ kundärzufuhreinheit einen Radius (Ri) aufweist und am Brenn¬ stoffdüsenaustritt (4) das Verhältnis von dem Radius (Ri) zu den äußeren Brennstoffdüsenradius (Ra) der Brennstoffdüse (1) größer als 0.6 und kleiner als 0.8 ist. 11. Turbinenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Brennstoffdüse (1) Löcher (130) aufweist, welche in Strö¬ mungsrichtung gesehen den Schaufeln (12) nachgeordnet sind und welche über den gesamten Umfang der Wand (9) der Brennstoffdüse (1) angeordnet sind. 12. Turbinenbrenner nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Lö¬ cher (130) eine Einlaufschale (7) aufweisen. 13. Turbinenbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s zumin¬ dest teilweise um die Primärzuführeinheit ein Ringkanal (40) angeordnet ist, der mehrere auf dem Umfang angeordnete Swir- ler (45) mit Brennstoffdüsen aufweist. |
Verglichen mit den klassischen Gasturbinenbrennstoffen Erdgas und Erdöl, die überwiegend aus Kohlenwasserstoff erbindungen bestehen, sind die brennbaren Bestandteile der Synthesegase im Wesentlichen CO und H2. Abhängig vom Vergasungsverfahren und Gesamtanlagenkonzept ist der Heizwert des Synthesegases etwa 5 bis lOmal kleiner verglichen mit dem Heizwert von Erd ¬ gas. Hauptbestandteile neben CO und H2 sind inerte Anteile wie Stickstoff und/oder Wasserdampf und gegebenenfalls noch Kohlendioxid. Bedingt durch den kleinen Heizwert müssen dem ¬ zufolge hohe Volumenströme an Brenngas durch den Brenner der Brennkammer zugeführt werden. Dies hat zur Folge, dass für die Verbrennung von niederkalorischen Brennstoffen - wie z.B. Synthesegas eine oder mehrere gesonderte Brennstoffpassagen zur Verfügung gestellt werden müssen. Wegen der im Vergleich zu konventionellen Brennstoffen wie Erdgas und Öl hohen Reaktivität (hohe Flammengeschwindigkeit, großer Zündbereich) von Synthesegasen besteht ein deutlich höheres Risiko bezüglich Flammenrückschlages, das heißt einer Brennerschädigung. Aus diesem Grunde erfolgt die Verbrennung von Synthesegasen in industriellen Gasturbinen zurzeit noch ausschließlich im Diffusionsbetrieb. Die damit verbundenen lokalen hohen Verbrennungstemperaturen führen zu hohen Stickoxid-Emissionen, wel- che wiederum durch eine zusätzliche Verdünnung durch Inertstoffe wie N2 oder Wasserdampf abgesenkt werden. Der damit verbundene zusätzliche Anstieg des Brennstoffmassenstromes stellt wiederum besondere Anforderungen an das Verbrennungs ¬ system und die vorgelagerten Hilfssysteme.
Das Synthesegas wird im Brenner des Stands der Technik - wie in der EP 1 649 219 Bl beschrieben- über eine um die Brennerachse angeordnete Ringraumpassage dem Brennraum zugeführt. Dabei wird das Gas stromauf der Brennerdüse durch einen in der Brennerdüse vorhandenen Düsenring mit angestellten Bohrungen durchgeführt, wobei das Gas mit einer Umfangsgeschwin ¬ digkeitskomponente beaufschlagt wird. Das bedeutet, dass im Stand der Technik dem Synthesegas unmittelbar an der Düse eine relativ geringe Mach-Zahl aufgeprägt wird. Damit verbunden besteht eine wegen des geringen Brennstoffimpulses auch nur relativ geringe Intensität hinsichtlich der Vermischung mit der Verbrennungsluft, die die ringförmige BrennstoffStrömung sowohl von innen als auch außen umschließt. Zusätzlich erschwerend für eine schnelle Vermischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft ist die geometrische Ausführung des Ringspaltes mit relativ großer Spaltbreite und entsprechend großem Mischungsweg.
Der Düsenring der EP 1 649 219 Bl mit angestellten Bohrungen wurde insbesondere für Synthesegase mit relativ hohem Heiz ¬ wert gewählt, um einen für die akustische Stabilität ausrei ¬ chend hohen Druckverlust an der Düse zu erreichen, ohne die Hauptabmessungen wesentlich zu ändern. Diese Ausführung hat jedoch aerodynamische Nachteile. So werden diskrete Strahlen erzeugt, die auf dem bis zum Brenneraustritt zur Verfügung stehenden Weg nicht ausreichend vergleichmäßigt werden kön ¬ nen, was zu erhöhten NOX Emissionen führt. Durch die Strö- mungsablösungen innerhalb und vor der Düse tritt darüber hinaus ein erheblicher Totaldruckverlust auf, so dass dieser Im ¬ pulsverlust im Weiteren nicht als Mischungsenergie zur Verfü ¬ gung steht. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung einen verbesserten
Brenner mit einer verbesserten Brennstoffdüse anzugeben, welche eine verbesserte Durchmischung zur Folge hat und die obi ¬ gen Nacheile vermeidet. Diese Aufgabe wird durch die Angabe eines Turbinenbrenners nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten vorteil ¬ hafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Die Erfindung bewirkt, dass sich bei gleicher Drallstärke ein niedrigerer Druckverlust einstellt, im Vergleich zu dem Dü ¬ senring der Düse des Stands der Technik. Zudem bewirken die Schaufeln, dass bei gleichem Gesamtdruckverlust ein größerer Anteil des Druckverlusts an den Brennstoffdüsenaustritt ge ¬ legt wird, was eine höhere akustische Stabilität in der
Verbrennungszone bewirkt als bei der Düse des Stands der Technik .
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren 1 und 2.
Die Figur 1 zeigt einen solchen erfindungsgemäßen Turbinenbrenner .
Die Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Brennstoffdüse .
Der Turbinenbrenner nach Fig.l weist dabei eine Sekundärzuführeinheit zur Zuführung eines Sekundärbrennstoffes oder Luft und zum Entladen des Brennstoffes oder Luft von einer Öffnung 6 in eine Verbrennungszone 10 auf. Der Sekundärbrenn- Stoff kann dabei Erdgas und Luft umfassen. Die Sekundärzu ¬ fuhreinheit weist einen Radius Ri auf. Die Sekundärzuführein ¬ heit kann zudem einen Pilotbrenner 2 umfassen, welcher für einen weiteren Brennstoff z.B. Öl ausgelegt ist. Zudem kann ein weiterer, ringförmig um dem Pilotbrenner 2 angeordneter Erdgaskanal 35 zum Zuführen von Erdgas Gn vorgesehen sein.
Dabei kann das Erdgas mit Dampf oder Wasser verdünnt werden, um die NOx-Werte zu kontrollieren. Zudem kann die Sekundärzu ¬ führeinheit einen weiteren ringförmigen Luftkanal 30 vorse ¬ hen, in den Verdichterluft L' einströmt. Die Sekundärzuführ- einheit umfasst dabei am stromabwärtigen Ende zumindest einen Drallerzeuger, ein sogenanntes Axialgitter 22 zum erzeugen eines Dralls. Dabei kann das Axialgitter 22 in dem stromab ¬ wärtigen Ende des Luftkanals 30 der Sekundärzuführeinheit an- geordnet sein. Das Erdgas Gn des Kanals 35 wird vor dem Axi ¬ algitter 22 in den Luftkanal 30 eingeströmt. Das so entste ¬ hende Luft-Erdgasgemisch wird dann durch das Axialgitter 22 verdrallt in die Verbrennungszone 10 eingebracht.
Der Brenner umfasst weiter eine Primärzuführeinheit, welche eine Primärmischröhre 11 und eine Brennstoffdüse 1 mit einer in die Verbrennungszone weisenden Öffnung dem Brennstoffdü- senaustritt 4 zur Zuführung eines Primärbrennstoffes auf- weist, wobei die Brennstoffdüse 1 sowie die Primärmischröhre 11 konzentrisch um die Sekundärzuführeinheit angeordnet ist. Dabei haben die Primärmischröhre 11 und die Brennstoffdüse 1 eine Fluidflussverbindung . Durch die Primärmischröhre 11 und die Brennstoffdüse 1 wird der Verbrennungszone 10 Synthesegas zugeführt.
Um die Primärzuführeinheit ist zumindest teilweise ein Ring ¬ kanal 40 angeordnet, der mehrere auf dem Umfang angeordnete Swirler 45 mit oder ohne Brennstoffdüsen aufweist. Durch die- sen Ringkanal 40 wird Verdichterluft L' ' geströmt, in das mittels den Swirlern 45 Brennstoff eingedüst werden kann. Das daraus entstehende Verdichterluft L' ' - Brennstoffgemisch oder die Luft L' ' wird ebenfalls verdrallt in die Verbrennungszone 10 eingebracht.
Die Brennstoffdüse 1 weist eine ringförmige Wand 9 auf, wel ¬ che in axialer Richtung radial von der Sekundärzuführeinheit beabstandet ist, so dass durch die ringförmige Wand 9 und Se ¬ kundärzuführeinheit eine Spalthöhe h ausgebildet wird. Dabei weist die Brennstoffdüse 1 eine zur Sekundärzufuhreinheit ge ¬ richtete Innenwand 50 auf, wobei die Innenwand 50 ringförmig angeordnete Schaufeln 12 aufweist (Fig.2). Alternativ können die Schaufeln 12 auch auf der Außenwand der Sekundärzuführeinheit angeordnet werden (nicht gezeigt) . Dabei versteht man unter der Außenwand der Sekundärzuführeinheit die zur Brenn ¬ stoffdüse gerichtete Außenwand der Sekundärzuführeinheit. Die Brennstoffdüse 1 weist zudem einen Brennstoffdüseneinlass 20 und einen Brennstoffdüsenaustritt 4 auf. Durch die Schaufeln 12 wird der Druckverlust an den Brennstoffdüsenaustritt 4 ge ¬ legt. Dies hat den Vorteil, dass sich höhere akustische Sta ¬ bilität in der Verbrennungszone 10, das heißt Stabilität ge ¬ gen über dem bekannten Brummen in der Verbrennungszone 10, als bei den Düsen des Brenners des Stands der Technik ein ¬ stellt. Der Druckverlust kann in dieser Ausführung zudem über die Geschwindigkeit des Synthesegases bzw. den Querschnitt des Brennstoffdüsenaustritts eingestellt werden. Die Brennstoffdüse 1 ist stromab zumindest teilweise konisch ausgebildet .
Die Schaufeln 12 haben auf der stromaufwärtigen Seite eine Schaufelanströmkante 51 und gegenüberliegend eine Schaufel- hinterkante 60. Dabei weist die Schaufelanströmkante 51 einen axialen Abstand s zu dem Brennstoffdüseneinlass 20 auf. Das Verhältnis von Abstand s und Spalthöhe h ist dabei größer als 1 und kleiner als 4. Durch diese Begrenzung des Abstandes s zu den Schaufel 12 in axialer Richtung wird die Ausbildung einer nennenswerten Grenzschicht verhindert.
Zur Maximierung des akzeptablen, verfügbaren Druckverlustes in der Düse 1 wird der Brennstoffdüseneinlass 20 mit einer größeren Spalthöhe h ausgeführt. Dadurch erfolgt die maximale Ausnutzung des akzeptablen Druckverlustes und die Vermeidung von parasitären Druckverlusten am Brennstoffdüsenaustritt 4. Es stellt sich somit eine stabile Verbrennung ein.
Der Brennstoffdüseneinlass 20 ist zudem abgerundet, wobei die Abrundung einen Brennstoffdüseneinlassradius Re aufweist. Die Abrundung weist dabei von einem Brennstoffdüseninneren weg. Das Verhältnis von Brennstoffdüseneinlassradius Re und der Spalthöhe h ist dabei größer als 0.2 und kleiner als 0.8. Da ¬ durch erfolgt bis zur Schaufelanströmkante 51 eine gleichmä- ßige Strömungsbeschleunigung, welche eine Minimierung der
Einlaufdruckverluste und an den Schaufeln 12 ein gleichmäßi ¬ ges Strömungsprofil bewirkt. Alternativ kann dies auch durch eine gerade Düse 1 mit einem geraden Brennstoffdüseneintritt 20 mit einem Winkel <75° bewirkt werden (nicht dargestellt) . Die Schaufelanströmkante 51 weist dabei den oben erwähnten stromaufwärtigen relativen axialen Abstand von etwa Ks (Abstand) /h (Spalthöhe) <4 zum Brennstoffdüseneintritt 20 auf.
Im Gegensatz zu bestehenden Lösungen ist die Düse 1 also derart ausgeführt, dass durch Reduzierung der Spalthöhe h am Brennstoffdüseneintritt 20 die Axialgeschwindigkeit bereits vor den Schaufeln 12 erhöht wird und eine gleichmäßige Be- schleunigung des Gases bis zum Austritt aus der Düse 1 er ¬ folgt. Dabei beträgt die Spalthöhe h am Brennstoffdüsenaus ¬ tritt 4 zwischen O.Kh (Spalthöhe) /Ra<0.2, wobei Ra den äußeren Brennstoffdüsenradius Ra darstellt, damit eine Mach-Zahl im Bereich 0.4<Ma<O.8 eingehalten wird, was eine bessere akustische Entkopplung des BrennstoffSystems von Brennkammer ¬ druckschwingungen bewirkt. Zusätzlich ist mit der höheren Mach-Zahl eine Vergrößerung der Mischenergie verbunden. Durch die kleinere Spalthöhe h als bei den Düsen des Stands der Technik am Düsenaustritt 4 werden zudem Mischungswege mini- miert.
Die Schaufeln 12 weisen zusätzlich einen Schaufelanstellwinkel auf (Fig. 2) . Dabei ist der Schaufelanstellwinkel zu wäh ¬ len, bei dem eine möglichst hohe Drallzahl S eingestellt wird, ohne jedoch eine Strömungsablösung an der Schaufelhinterkante 60 und der Nabe 70 zu verursachen, wobei die Drall ¬ zahl S den Drehimpulsstrom zum Axialimpulsstrom ins Verhältnis setzt. Dabei wird als Nabe 70 derjenige Teil der Sekun ¬ därzufuhreinheit bezeichnet, welche sich am Axialgitter 22 befindet und welche die innere Berandung des Brennstoffdüse 1 am Düsenaustritt 4 darstellt. Die Drallzahl S liegt dabei in einem Bereich von größer 1.2 und kleiner 1.7. Dabei ist gleichzeitig am Brennstoffdüsenaustritt 4 das Verhältnis des Radius Ri der Sekundärzufuhreinheit zum äußeren Brennstoffdü- senradius Ra der Brennstoffdüse 1 größer als 0.6 und kleiner als 0.8 einzuhalten. Da die Drallzahl S von dem Verhältnis Ri/Ra abhängt, bewirkt eine Einhaltung des Verhältnisses, dass die Synthesegasströmung der Kontur der Brennstoffdüse 1 noch folgt, ohne sich auf der Nabenseite abzulösen.
Das Brennstoff-Luftgemisch, welches durch das Axialgitter 22 durchströmt, weist zudem eine tangentiale Strömungsrichtung 100 (Drall) auf. Auch in der Brennstoffdüse 1 wird dem Syn ¬ thesegasstrom durch einen Anstellwinkel der Schaufeln 12 eine tangentiale Strömungsrichtung 110 aufgeprägt. Der Schaufelanstellwinkel kann nun so angeordnet werden, dass die tangenti- ale Strömungsrichtungen 100 und 110 nun eine gegensinnige
Drehrichtung aufweisen. Dazu müssen die Schaufeln 12 und das Axialgitter 22 eine gegensinnige Anordnung aufweisen. Dies bewirkt eine erhebliche Steigerung der Mischungsintensität wegen der vergrößerten Schergeschwindigkeiten in den Kontakt- zonen der Strömungen 100 und 110. Aufgrund des Gegendralls liegt nämlich die Relativgeschwindigkeiten zwischen den Luft- Brennstoffgemisch und Synthesegas deutlich über der Relativgeschwindigkeiten einer gleichsinnigen Anordnung, was wiederum die deutlich höhere Durchmischung beider Ströme zur Folge hat. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die NOx Emissionen aus. Auch die Luft, welches durch die Ringpassage 40 strömt weist einen Drall 120 auf. Diese ist bevorzugt gleichgerich ¬ tet zum Drallstrom 100. Die Brennstoffdüse 1 kann in Strömungsrichtung gesehen nach den Schaufeln 12 noch Löcher 130 aufweisen. Durch diese kann die Luft des Ringkanals 40 eintreten, wenn der Brenner nicht im Synthesegasbetrieb ist. Somit ist eine Betreibung des Brenners auch ohne Synthesegas möglich, wenn Brennstoff über den Pilotbrenner oder aber Brennstoff über die Ergaspassage 35 zugeführt wird. Damit kann im Betrieb ohne Synthesegas kein Heißgas, welches im Verbrennungszone 10 vorhanden ist, über die Düse 1 zurückströmen. Die Löcher 130 können dabei in Strömungsrichtung mit einer Einlaufschale (7) ausgebildet sein, welche in den Kanal 40 hineinragt. Somit kann, im Be ¬ trieb ohne Synthesegas, die Luft L' ' gezielter durch die Lö ¬ cher 130 in die Düse 1 geströmt werden, um somit das Heißgas noch gezielter daran zu hindern, dass Heißgas aus der
Verbrennungszone 10 in die Düse 1 zurückströmt.
Die Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Brennstoffdüse 1 im Detail. Diese Düse 1 weist eine Innenwand 50 auf. Die Schau ¬ feln 12 sind ringförmig über den Umfang der Innenwand 50 angeordnet. Die Düse 1 ist konisch ausgebildet und zwar über den gesamten Bereich der Nabe 70 (Fig. 1), woraus sich am Brennstoffdüsenaustritt 4 eine geringere Spalthöhe h(Fig. 1) ergibt, als dies bei den Düsen des Stands der Technik der Fall ist.
Im Gegensatz zu der Düse 1 des Brenners im Stand der Technik kann der Volumenstrom des Synthesegases, der durch den erfin- dungsgemäßen Brenner der Verbrennungszone 10 zugeführt werden muss, bei gleichen NOx Emissionen verringert werden. Daraus ergibt sich der Vorteil eines geringeren Bauraums der Primärzuführeinheit bzw. der Zufuhrsysteme zur Primärzuführeinheit. Die bessere akustische Stabilität lässt einen erweiterten Be- triebsbereich des erfindungsgemäßen Brenners hinsichtlich Last und Brennstoffqualität zu.
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