DE19757617A1 - Verbrennungssystem sowie Brenner eines Verbrennungssystems - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungssystem mit einer Brennkammer und einem Brenner, wobei die Brennkammer eine Brennkammerwand und der Brenner einen Zufuhrkanal sowie eine Zündvorrichtung aufweist. Der Zufuhrkanal dient der Zuführung von Verbrennungsluft oder einem Verbrennungsluft/Brennstoff-Ge­ misch, weist eine Kanalwand auf und mündet mit einer Mün­ dung in die Brennkammer.

Bei der Verbrennung eines Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemi­ sches in der Brennkammer eines Verbrennungssystems kann es zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen kommen. Dies ist auch bekannt unter den Begriffen "Brennkammerbrummen", "Brennkammerschwingungen", "verbrennungsinduzierten Druck­ pulsationen", "schwingende Verbrennungen", "Heulen/Kreischen" (engl. "Screaching"). Solche Verbrennungsschwingungen sind gekennzeichnet durch zeitperiodisch korrelierte Fluktuationen des Verbrennungsumsatzes und des statischen Druckes des im Verbrennungssystem geführten Gemisches. Mit Verbrennungsum­ satz ist die pro Zeiteinheit bei der Verbrennung in einer Flamme umgesetzte Menge von Verbrennungsluft/Brennstoff-Ge­ misch bezeichnet. Die Verbrennungsschwingungen beruhen auf einer Wechselwirkung des in die Brennkammer strömenden Ver­ brennungsluft/Brennstoff-Gemisches mit dem momentanen Ver­ brennungsumsatz in der Flamme. Durch eine Änderung des Ver­ brennungsumsatzes kann es zu Druckschwankungen kommen, die ihrerseits zu einer Änderung des Verbrennungsumsatzes und da­ mit zur Ausbildung einer stabilen Druckschwingung führen kön­ nen. Die Verbrennungsschwingungen verursachen neben einer er­ höhten Lärmentwicklung eine verstärkte mechanische und ther­ mische Beanspruchung der Brennkammerwände und weiterer zum Verbrennungssystem gehörender Teile.

Eine Methode zur aktiven Dämpfung von Verbrennungsschwingun­ gen ist beschrieben in dem Artikel "Aktive Dämpfung selbst­ erregter Brennkammerschwingungen (AIC) bei Druckzerstäuber­ brennern durch Modulation der flüssigen Brennstoffzufuhr" von J. Hermann, D. Vortmeier und S. Gleiß, VDI-Berichte Nr. 1090, 1993. Die beschriebene Methode wird angewendet auf ein Ver­ brennungssystem, in dem ein Diffusionsbrenner zum Einsatz kommt. Der Diffusionsbrenner weist einen Verbrennungsluftzu­ fuhrkanal auf, in dem koaxial ein Brennstoffzufuhrkanal ange­ ordnet ist, wobei an der Mündung des Verbrennungsluft- und des Brennstoffzufuhrkanals eine Vermischung und Zündung von der Verbrennungsluft und dem Brennstoff erfolgt. Die aktive Dämpfung der Verbrennungsschwingung wird dadurch erreicht, daß ein Stellglied (z. B. ein Piezo-Aktuator) die in dem Brennstoffzufuhrkanal pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoff­ menge moduliert. Ein Mikrophon nimmt die akustischen Schwin­ gungen in der Brennkammer auf. Aus einem Mikrophonsignal wird ein Regelsignal für die Regelung der pro Zeiteinheit zuge­ führten Brennstoffmenge so abgeleitet, daß die Modulation der zugeführten Brennstoffmenge antizyklisch zur Verbrennungs­ schwingung erfolgt. Diese aktive Dämpfung der Verbrennungs­ schwingung erfordert einen beträchtlichen apparativen Auf­ wand.

Ein Hybridbrenner für eine Gasturbine ist bekannt aus der EP 0 580 683 B1. Ein Hybridbrenner weist sowohl einen Diffu­ sionsbrenner als auch einen Vormischbrenner auf. Er ist daher sowohl im Diffusionsbetrieb als auch im Vormischbetrieb be­ treibbar. Der Vormischbrenner des Hybridbrenners weist einen Ringkanal zur Zuführung von Verbrennungsluft oder von einem Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch auf. Der Diffusionsbren­ ner des Hybridbrenners ist nahezu koaxial im Ringkanal des Vormischbrenners angeordnet. Der Diffusionsbrenner weist ei­ nen als Ringkanal ausgebildeten Verbrennungsluftzufuhrkanal auf, in dem nahezu koaxial ein Brennstoffzufuhrkanal angeord­ net ist. Die Kanäle des Diffusionsbrenners münden in einer Düse. Weiterhin weist der Diffusionsbrenner in seinem Ver­ brennungsluftzufuhrkanal einen Pilotbrenner auf, welcher nur für einen Betrieb des Vormischbrenners erforderlich ist. Bei einem Vormischbetrieb des Hybridbrenners wird über den Ring­ kanal des Vormischbrenners Verbrennungsluft zugeführt, der im Ringkanal Brennstoff beigemischt wird. Das dabei gebildete Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch bildet im Ringkanal eine Strömung. Das in der Strömung geführte Verbrennungsluft/Bren­ nerstoff-Gemisch gelangt in die Brennkammer, wo es in einer Flamme verbrennt. Die Verbrennung wird mit Hilfe einer Flamme des Pilotbrenners stabilisiert. Bei einem Diffusionsbetrieb des Hybridbrenners wird über den Verbrennungsluft- und den Brennstoffzufuhrkanal des Diffusionsbrenners Verbrennungsluft bzw. Brennstoff zu einer Mischung in die Brennkammer zuge­ führt. Das bei der Mischung gebildete Verbrennungs­ luft/Brennstoff-Gemisch verbrennt in einer Flamme in der Brennkammer.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verbrennungssystem mit ei­ ner geringen Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwin­ gungen anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, einen entspre­ chenden Brenner für ein Verbrennungssystem anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die auf ein Verbrennungssystem gerich­ tete Aufgabe gelöst durch ein Verbrennungssystem mit einer Brennkammer und einem Brenner, wobei die Brennkammer eine Brennkammerwand und der Brenner einen Zufuhrkanal sowie eine Zündvorrichtung aufweist, wobei

• a) der Zufuhrkanal zur Zuführung von Verbrennungsluft oder einem Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch dient, eine Ka­ nalwand aufweist und mit einer Mündung in die Brennkammer mündet,
• b) mit der Zündvorrichtung eine Zündung einer Verbrennung der Verbrennungsluft mit Brennstoff zu einem Rauchgas im Zu­ fuhrkanal erfolgt und
• c) ein Anpaßbereich als Bestandteil des Zufuhrkanals vor des­ sen Mündung zur Führung einer Fluidströmung eines sich bei der Verbrennung bildenden Gemisches, bestehend aus Ver­ brennungsluft, Brennstoff und Rauchgas vorgesehen ist, in welchem die Kanalwand so ausgebildet ist, daß bei einem Betrieb des Brenners bei einer Nennlast die Fluidströmung an der Kanalwand anliegt.

Als Nennlast ist eine üblicherweise auftretende Last bei ei­ nem Betrieb des Verbrennungssystems bezeichnet.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, die Geometrie des Verbrennungssystems so zu gestalten, daß eine geringe Tendenz zur Ausbildung der Verbrennungsschwingung besteht. Die Mün­ dung des Zufuhrkanals, die auch die Mündung des Anpaßberei­ ches ist, wirkt als Abrißkante für eine sich bei der Zufüh­ rung eines Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisches über den Zu­ fuhrkanal ausbildenden Strömung. Die Strömung tritt mit einer Strömungsgeschwindigkeit in die Brennkammer ein, die höher ist als die Strömungsgeschwindigkeit des in der Brennkammer befindlichen Gemisches. Aufgrund dieses auftretenden Ge­ schwindigkeitsgradienten kommt es zur Wirbelbildung in der Brennkammer im Bereich der Mündung. In den Wirbeln können sich einerseits die Bestandteile des Verbrennungsluft/Brenn­ stoff-Gemisches miteinander besser durchmischen und daher un­ ter einer stärkeren Wärme- und Druckfreisetzung abreagieren. Andererseits kann sich das Verbrennungsluft/Brennstoff-Ge­ misch mit dem in der Brennkammer befindlichen heißen Rauchgas stärker durchmischen, wodurch eine Aufheizung und dadurch verursachte schnellere Verbrennung des Verbrennungsgas-Brenn­ stoff-Gemisches in den Wirbeln mit einer damit verbundenen plötzlichen Wärme- und Druckfreisetzung erfolgt.

Durch eine Druckschwankung kann sich die Geschwindigkeit des in die Brennkammer einströmenden Verbrennungsluft/Brennstoff-Ge­ misches ändern, wobei sich die an der Mündung des Zufuhrka­ nals bildenden Wirbel ablösen und mit dem einströmenden Ver­ brennungsluft/Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer transpor­ tiert werden. Das Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch in den abgelösten Wirbeln kann spontan zünden und verbrennen, wo­ durch wiederum eine Druckschwankung verursacht wird. Der Vor­ gang der Wirbelablösung mit nachfolgender spontaner Zündung und dadurch verursachter Druckschwankung kann sich dabei selbst stabilisieren.

Vorteilhaft an dem Verbrennungssystem ist, daß eine Wirbel­ bildung bei der Führung der Strömung im Anpaßbereich vermie­ den wird. In der weitgehend wirbelfrei geführten Strömung des Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisches erfolgt die Zündung, so daß die Verbrennung in einer Flamme zu Rauchgas bereits weit­ gehend im Anpaßbereich erfolgt. Zwar bildet das in die Brenn­ kammer eintretende Fluidströmung des Gemisches aus Verbren­ nungsluft, Brennstoff und Rauchgas aufgrund auftretender Ge­ schwindigkeitsgradienten im Bereich der Mündung des Anpaßbe­ reiches Wirbel, diese enthalten jedoch eine geringe Menge an unverbranntem Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch. Daher hat eine plötzliche Verbrennung des Gemisches in den Wirbeln eine Ausbildung von Druckpulsen mit erheblich geringerer Intensi­ tät zur Folge, die nicht wesentlich zu einer Änderung des Verbrennungsumsatzes führen. Eine Ablösung zeitlich nachfol­ gend an der Mündung gebildeter Wirbel wird weitgehend vermin­ dert oder unterbleibt vollständig. Die Neigung des Verbren­ nungssystems zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen ist dadurch weitgehend reduziert.

Vorzugsweise erweitert sich der Anpaßbereich im Bereich der Mündung, wodurch sich die Geschwindigkeit der Fluidströmung im Anpaßbereich verringert.

Vorzugsweise ist die Kanalwand im Anpaßbereich gegenüber ei­ nem Modellströmungsprofil eingeschnürt oder wie das Modell­ strömungsprofil ausgebildet. Beim Betrieb des Modellverbren­ nungssystems bildet das Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch im Zufuhrkanal eine Strömung, die an der Mündung des Zufuhr­ kanals in die Brennkammer eintritt. Der Zufuhrkanal weist an seiner Mündung einen Innendurchmesser auf. Unter Modellströ­ mungsprofil ist die röhrenartige Fläche zu verstehen, die ge­ bildet wird aus den Stromlinien der Strömung, welche eine Verlängerung der Kanalwand bilden, wobei das Modellströmungs­ profil an der Mündung des Zufuhrkanals einen Profildurchmes­ ser aufweist, der mit dem Innendurchmesser des Zufuhrkanals übereinstimmt. Ein Vorteil der an dem Modellströmungsprofil orientierten Gestaltung der Kanalwand im Anpaßbereich ist, daß die sich im Anpaßbereich ausbildende Strömung des Ver­ brennungsluft/Brennstoff-Gemisches und des Gemisches auch bei einer schwankenden Zufuhr und bei gegebenenfalls auftretenden starken Druckschwankungen in der Brennkammer sicher an der Kanalwand des Anpaßbereiches anliegt. Eine Wirbelbildung der Strömungen im Anpaßbereich wird somit weitgehend vermieden. Eine Möglichkeit das Modellströmungsprofil zu ermitteln, be­ steht dann, dieses anhand eines unter Nennlast betriebenen Modellverbrennungssystems mit einem zu dem Brenner äquivalen­ ten Brenner, welcher ohne Anpaßbereich ausgebildet ist, zu bestimmen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, in einer numerischen Simulation des Nennlastbetriebes des Modellver­ brennungssystems das Modellströmungsprofil zu berechnen.

Das Modellverbrennungssystem kann ein vorhandenes Verbren­ nungssystem sein, in das ein Anpaßbereich nachträglich inte­ griert werden soll. Nach Ermittlung des Modellströmungspro­ fils für das vorhandene Verbrennungssystem kann der Anpaßbe­ reich angebracht werden, wodurch ein neues Verbrennungssystem gebildet wird. Nach dem Anbringen des Anpaßbereiches geht dessen Kanalwand an der Mündung in die Kanalwand des Zufuhr­ kanals über. Der Anpaßbereich weist einen Anfang mit einem Anfangsinnendurchmesser auf, wobei der Anfang der Mündung des Zufuhrkanals entspricht und der Anfangsinnendurchmesser gleich dem Innendurchmesser ist. Der Anpaßbereich stellt hier eine Verlängerung des Zufuhrkanals dar. Die Kanalwand im An­ paßbereich ist gegenüber dem Modellströmungsprofil des vor­ handenen Verbrennungssystems eingeschnürt oder wie das Mo­ dellströmungsprofil ausgebildet. Da die Gestaltung der Kanal­ wand des Anpaßbereiches an dem Verlauf des Modellströmungs­ profils ausgerichtet ist, weist die sich bei einem Betrieb des neuen Verbrennungssystems ausbildende Flamme eine Flammcharakteristik auf, die mit der Flammcharakteristik des vorhandenen Verbrennungssystems nahezu übereinstimmt. Dadurch ist ein Anpaßbereich in ein vorhandenes Verbrennungssystem integrierbar, ohne daß aufwendige Modifikationen an zum vor­ handenen Verbrennungssystem zugehörigen Regelvorrichtungen vorgenommen werden müssen und weitere Maßnahmen zur Beein­ flussung von mit der Verbrennung bewirkten NOx-Emissionen notwendig sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform dringt der Anpaßbereich frei in die Brennkammer ein. Dies hat den Vorteil, daß der Anpaßbereich nachträglich ohne großen Aufwand in vorhandene Verbrennungssysteme integriert werden kann.

Bevorzugtermaßen weist die Kanalwand des Anpaßbereiches eine kühlbare Wandstruktur auf, bei der eine Innenwand, die dem Strömungsprofil gegenüber eingeschnürt ausgebildet ist oder wie das Modellströmungsprofil verläuft, von einer Außenwand mit einem dazwischen liegenden Zwischenraum umgeben ist. In den Zwischenraum mündet ein Einlaß für Kühlfluid, über den Kühlfluid in den Zwischenraum strömt, wodurch die Innenwand und die Außenwand gekühlt werden. Die Kühlung ist insbeson­ dere bei einem frei in die Brennkammer hineinragenden Anpaß­ bereich vorteilhaft, weil die Möglichkeit besteht, daß Heiß­ gashinterströmungen auftreten, wobei in die Brennkammer tre­ tendes heißes Gemisch in der Brennkammer rückströmt in Berei­ che in der Nähe des Anfangs des Anpaßbereichs. Eine Entzün­ dung und Verbrennung des heißen Gemisches dort kann zu ther­ mischen Belastungen der Wandstruktur führen, die durch die Kühlung vermieden werden.

Bei einer weiter bevorzugten Ausgestaltung geht der Anpaßbe­ reich an seiner Mündung in die Brennkammerwand über, wodurch eine Heißgashinterströmung nicht möglich ist. Eine thermische Belastung, wie sie bei einem frei in die Brennkammer hinein­ ragenden Anpaßbereich durch eine Heißgashinterströmung und Entzündung auftreten könnte, ist hier ausgeschlossen.

Weiter bevorzugt ist der Zufuhrkanal als Ringkanal eines Vor­ mischbrenners eines Hybridbrenners ausgebildet, in dem nahezu koaxial ein Diffusionsbrenner mit einem Brennstoffzufuhrka­ nal, mit einem Verbrennungsluftzufuhrkanal und mit einer Düse angeordnet ist. Der Ringkanal weist in Richtung Brennkammer betrachtet hinter der Düse des Diffusionsbrenners einen An­ paßbereich auf. Der Verbrennungsluftzufuhrkanal des Diffusi­ onsbrenners kann ebenfalls in Richtung Brennkammer betrachtet hinter der Düse einen weiteren Anpaßbereich aufweisen.

In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist der Zufuhrkanal als Verbrennungsluftzufuhrkanal ausgebildet, in dem nahezu koaxial ein Brennstoffzufuhrkanal angeordnet ist, wobei beide Zufuhrkanäle in einer Düse münden und einen Diffusionsbrenner bilden. Bevorzugtermaßen ist der Diffusionsbrenner nahezu koaxial in einem zweiten Zufuhrkanal für Verbrennungsluft oder einem Verbrennungsluft-/Brennstoffgemisch angeordnet, so daß der Diffusionsbrenner und der Zufuhrkanal einen Hybrid­ brenner bilden.

Vorzugsweise weist das Verbrennungssystem einen Brenner auf, der als Hybridbrenner für eine Gasturbine ausgebildet ist.

Die auf den Brenner gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ei­ nen Brenner, der einen Zufuhrkanal sowie eine Zündvorrichtung aufweist, wobei der Zufuhrkanal zur Zuführung von Verbren­ nungsluft oder einem Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch dient, eine Kanalwand aufweist und mit einer Mündung endet, mit der Zündvorrichtung eine Zündung einer Verbrennung von Verbrennungsluft mit Brennstoff zu einem Rauchgas im Zufuhr­ kanal erfolgt und der Zufuhrkanal vor der Mündung einen An­ paßbereich zur Führung einer Fluidströmung eines sich bei der Verbrennung bildenden Gemisches, bestehend aus Verbrennungs­ luft, Brennstoff und Rauchgas aufweist, wobei im Anpaßbereich die Kanalwand so ausgebildet ist, daß bei einem Betrieb des Verbrennungssystems bei Nennlast die Fluidströmung an der Ka­ nalwand anliegt.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiele wird das Verbrennungssystem näher erläutert. Es zeigen schematisiert und teilweise nicht maßstäblich unter Darstel­ lung der für die Erläuterung verwendeten konstruktiven und funktionellen Merkmale:

Fig. 1 ein Verbrennungssystem in einem Längsschnitt,

Fig. 2 ein Modellverbrennungssystem in einem Längsschnitt,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Zufuhrkanal mit einem eingeschnürten Anpaßbereich,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Zufuhrkanal mit Anpaßbe­ reich und einer kühlbaren Wandstruktur

Fig. 5 ein Verbrennungssystem mit einem in die Brennkammerwand übergehenden Anpaßbereich, und

Fig. 6 einen Hybridbrenner mit Anpaßbereichen.

Die Bezugszeichen sämtlicher Figuren haben jeweils die glei­ che Bedeutung.

In Fig. 1 ist ein Verbrennungssystem 1 in einem Längsschnitt dargestellt. Ein Zufuhrkanal 5 erweitert sich in einem Anpaß­ bereich 8 allmählich und mündet mit einer Mündung 12 in einer Brennkammer 2, die nicht näher dargestellt ist. Der Zufuhrka­ nal 5 dient der Zuführung eines Verbrennungsluft/Brennstoff-Ge­ misches 6 in die Brennkammer 2, welches mit einer im Zu­ fuhrkanal 5 angebrachten Zündvorrichtung 10 gezündet wird. Die Brennkammer 2 weist eine Brennkammerwand 4 auf, die einen Flammraum 35 umgibt. Der Zufuhrkanal 5 mit dem Anpaßbereich 8 sowie der Zündvorrichtung 10 bilden einen Brenner 3. Das Ver­ brennungsluft/Brennstoff-Gemisch 6 bildet im Zufuhrkanal 5 eine Strömung 14. Nach der Zündung verbrennt es zumindest teilweise zu einem Rauchgas 9, wobei sich im Anpaßbereich 8 ein Gemisch 39 aus Rauchgas 9 und unverbranntem Verbrennungs­ luft/Brennstoff-Gemisch 6 bildet, welches in einer Fluidströ­ mung 41 in die Brennkammer 2 tritt. Der Zufuhrkanal 5 weist eine Kanalwand 7 auf, welche im Anpaßbereich 8 so ausgebildet ist, daß bei einem Betrieb bei Nennlast die Strömung 14 und die daraus hervorgehende Fluidströmung 41 an der Kanalwand anliegen.

Eine Wirbelbildung in der Strömung 14 und der Fluidströmung 41 im Anpaßbereich 8 wird aufgrund der Ausgestaltung der Ka­ nalwand 7 weitgehend vermieden. Die Mündung 12 des Anpaßbe­ reiches 8 stellt für die in die Brennkammer 2 übertretende Fluidströmung 41 eine Abrißkante dar, an der sich Wirbel 15 bilden können. Das Gemisch 39 enthält eine geringe Menge an Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch 6, da das Rauchgas 9 bei­ gemischt ist. Demnach hat eine spontane Verbrennung in den von dem Gemisch 39 gebildeten Wirbeln 15, welche aufgrund von Druckschwankungen in die Brennkammer 2 transportiert werden können, allenfalls eine Ausbildung von Druckpulsationen mit sehr geringer Intensität zur Folge. Die Druckpulsationen füh­ ren somit nicht zu einer Ablösung der sich an der Mündung 12 zeitlich nachfolgend bildenden Wirbel 15 von der Mündung 12. Eine Anfachung von Verbrennungsschwingungen ist dadurch ver­ mindert oder unterbleibt vollständig.

In Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch ein Modellverbrennungssy­ stem 100 dargestellt. Ein Zufuhrkanal 5 mündet mit einer Mün­ dung 17 in einer Brennkammer 2, die nicht vollständig darge­ stellt ist. Der Zufuhrkanal 5 weist eine Kanalwand 7 auf und besitzt an der Mündung 12 einen Innendurchmesser 20. Über den Zufuhrkanal 5 wird eine Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch 6 in die Brennkammer 2 zugeführt, wobei das Verbrennungsluft/ Brennstoff-Gemisch 6 mit einer Zündvorrichtung 10 im Zufuhr­ kanal 5 nahe vor der Mündung 17 gezündet wird. Das Verbren­ nungsluft/ Brennstoff-Gemisch 6 verbrennt in einer schema­ tisch angedeuteten Flamme 46, die eine Flammcharakteristik 47 aufweist. Im Zufuhrkanal 5 bildet das Verbrennungsluft/Brenn­ stoff-Gemisch 6 eine Strömung 18, die in die Brennkammer 2 tritt. Mit gestrichelten Linien angedeutet ist ein Modell­ strömungsprofil 21 der Strömung 18, wobei das Modellströ­ mungsprofil 21 perspektivisch betrachtet eine röhrenartige Fläche ist, die von all den Stromlinien der Strömung 18 ge­ bildet wird, die an der Mündung 17 an der Kanalwand 7 anlie­ gen und somit eine imaginäre Verlängerung der Kanalwand 7 in die Brennkammer 2 hinein darstellen. Das Modellströmungspro­ fil 21 weist an der Mündung 17 einen Profildurchmesser 20a auf, der mit dem Innendurchmesser 20 übereinstimmt. Die ge­ strichelten Linien zeigen somit einen Schnitt durch die Stromlinien des Modellströmungsprofils 21. Das Modellströ­ mungsprofil 21 bildet sich entsprechend der Ausgestaltung der Brennkammer 2, dem Innendurchmesser 20 des Zufuhrkanals 5 und dem Massenstrom des zugeführten Verbrennungsluft/Brennstoff-Ge­ misches 6 aus. Das Modellströmungsprofil 21, kann über Mes­ sungen oder numerische Berechnungen ermittelt werden. Die Form des Modellströmungsprofils 21 beeinflußt die Flammcha­ rakteristik 47 und damit die Entstehung von NOx-Verbindungen bei der Verbrennung.

Die Fig. 3 zeigt ein Verbrennungssystem mit geringer Neigung zur Ausbildung von Verbrennungsschwingungen, bei dem das in Fig. 2 dargestellte Modellverbrennungssystems 100 durch Hinzu­ fügung eines Anpaßbereiches 8 modifiziert ist. Der Zufuhrka­ nal 5 weist im Anschluß an seine Mündung 17 den Anpaßbereich 8 mit einem Anfang 13 und einem Anfangsinnendurchmesser 20b auf. Die Mündung 17 des Zufuhrkanals 5 bildet den Anfang 13 des Anpaßbereiches 8, der der Brennkammer 2 zugewandt die Mündung 12 aufweist. Dabei entspricht der Anfangsinnendurch­ messer 20b dem Innendurchmesser 20. Das über den Zufuhrkanal 5 zugeführte Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch 6 bildet die Strömung 14 und wird mit Hilfe der Zündvorrichtung 10 im Zu­ fuhrkanal 5 gezündet. Ein Teil des Verbrennungsluft/Brenn­ stoff-Gemisches 6 verbrennt im Anpaßbereich 8 zu einem Rauch­ gas 9, das sich mit unverbranntem Verbrennungsluft/Brenn­ stoff-Gemisch 6 im Anpaßbereich 8 zu einem Gemisch 39 ver­ mischt. Das Gemisch 39 bildet im Anpaßbereich 8 die Fluid­ strömung 41. Die Kanalwand 7 ist im Anpaßbereich 8 gegenüber dem ermittelten Modellströmungsprofil 21 eingeschnürt ausge­ bildet, wodurch die Strömung 14 und die Fluidströmung 41 si­ cher an der Kanalwand 7 anliegen. Die Kanalwand 7 kann auch wie das Modellströmungsprofil 21 ausgebildet sein. Eine Aus­ bildung von Wirbeln im Anpaßbereich 8 wird dadurch weitgehend vermieden. Zwar können sich beim Eintreten der Strömung 41 in die Brennkammer 2 an der Mündung 12 Wirbel 19 des Gemisches 39 ausbilden, jedoch weist das Gemisch 39 eine viel geringere Reaktionsfähigkeit als das Verbrennungsluft/Brennstoff-Ge­ misch 6 auf. Hierdurch erzeugt eine schlagartige Entzündung der Wirbel 19 in der Brennkammer 2 allenfalls einen Druckpuls so geringerer Intensität, daß eine Anregung von Verbrennungs­ schwingungen unterbleibt. Ein weiterer Vorteil der oben ge­ nannten Ausbildung der Kanalwand 7 des Anpaßbereiches 8 liegt darin, daß eine sich bei der Verbrennung im modifizierten Verbrennungssystem ausbildende Flammcharakteristik mit der Flammcharakteristik des Modellverbrennungssystems nahezu übereinstimmt. So müssen keine weiteren Modifikationen, bei­ spielsweise an zum Modellverbrennungssystem gehörigen Regel­ einrichtungen, vorgenommen oder zusätzliche Maßnahmen zur Be­ einflussung von mit der Verbrennung bewirkten NO-Emissionen ergriffen werden.

Die Fig. 4 wird in einem Längsschnitt eine weitere Ausführung des in Fig. 3 dargestellten Verbrennungssystems 1 dargestellt. Der Anpaßbereich 8 weist eine Wandstruktur 22 mit einer In­ nenwand 23, die gegenüber dem Modellströmungsprofil 21 einge­ schnürt ausgebildet ist und einer Außenwand 24, die die In­ nenwand 23 mit einem dazwischenliegenden Zwischenraum 25 um­ gibt, auf. Die Innenwand kann auch wie das Modellströmungs­ profil 21 verlaufen. Der Zwischenraum 25 weist an der Brenn­ kammerwand 4 einen Einlaß 26 für Kühlfluid 27 auf. Das Kühl­ fluid 27 strömt durch den Zwischenraum 25 und kühlt dabei die Innenwand 23 und die Außenwand 24. Falls es zu einer Rück­ strömung des in die Brennkammer tretenden heißen Gemisches 39 in die Bereiche 40 in der Brennkammer 2 kommt, was als Heiß­ gashinterströmung bezeichnet wird, kann es insbesondere bei einer dortigen Zündung des Gemisches 39 zu einer Aufheizung der Wandstruktur 22 und der Brennkammerwand 4 kommen. Mit der Kühlung wird dieser Aufheizung entgegengewirkt und die Wand­ struktur 22 auf einem nahezu gleichbleibenden Temperaturni­ veau gehalten.

In Fig. 5 wird in einem Längsschnitt eine weitere Ausführungs­ form des Verbrennungssystems 1 gezeigt. Die Kanalwand 7 im Anpaßbereich 8 geht an der Mündung 12 des Anpaßbereiches 8 in die Brennkammerwand 4 der dargestellten Brennkammer 2 über. Dabei ist die Kanalwand 7 gegenüber einem vorab ermittelten Modellströmungsprofil 36 eingeschnürt ausgebildet. Die zu der Ermittlung des Modellströmungsprofils 36 als Modellverbren­ nungssystem verwendete Ausgestaltung des Verbrennungssystems 1 ist der Fig. 5 zu entnehmen. Hierbei ist die Brennkammer als eine Zusammensetzung aus der Brennkammerwand 4 und einer mit den gestrichelten Linien 38 dargestellten Brennkammerwand ausgebildet. Nach der Anbringung des Anpaßbereiches 8 kann der gestrichelt dargestellte Teil der Brennkammerwand 38 ent­ fallen. Vorteilhaft an einer in die Brennkammerwand 4 überge­ henden Kanalwand 7 des Anpaßbereiches 8 ist, daß keine Heiß­ gashinterströmung auftreten kann, so daß eine hierdurch ver­ ursachbare Aufheizung der Kanalwand nicht möglich ist.

In Fig. 6 ist in einem Längsschnitt ein Hybridbrenner 101 mit zwei möglichen Ausführungsformen des Anpaßbereiches 8 darge­ stellt. Entlang einer Hauptachse 102 ist ein als Ringkanal 5 ausgebildeter Zufuhrkanal 5 ausgerichtet, der einen Vormisch­ brenner bildet. Der Ringkanal 5 mündet mit einer Mündung 17 in eine nicht näher dargestellte Brennkammer. Er weist einen Anpaßbereich 8 auf. In dem Ringkanal 5 ist koaxial ein Diffu­ sionsbrenner 28 angeordnet. Der Diffusionsbrenner 28 weist einen Flüssigbrennstoffzufuhrkanal 29 auf, der von einem als Ringkanal ausgebildeten Gasbrennstoffzufuhrkanal 45 umgeben ist. Die beiden Brennstoffzufuhrkanäle 29 und 45 sind von ei­ nem als Ringkanal ausgebildeten Verbrennungsluftzufuhrka­ nal 30 umgeben. Im Verbrennungsluftzufuhrkanal 30 ist ein Pi­ lotbrenner 28a angeordnet. Die Kanäle 45, 29 und 30 des Dif­ fusionsbrenners 28 münden in einer Düse 42. Der Verbrennungs­ luftzufuhrkanal 30 weist einen Anpaßbereich 120 mit einer Ka­ nalwand 122 auf.

Bei der einen Ausführung ist die Kanalwand 7 des Anpaßberei­ ches 8 im Bereich 52 als eine Wandstruktur 22 ausgeführt (linke Hälfte der Fig. 6), welche Wandstruktur 22 eine Außen­ wand 24 aufweist, die eine Innenwand 23 mit einem Zwischen­ raum 25 umgibt, der mit Kühlfluid durchströmbar ist.

Bei der anderen Ausführung des Anpaßbereiches 8 geht im Be­ reich 53 die Kanalwand 7 in die Brennkammerwand 4 über (rechte Hälfte der Fig. 6). Die Kanalwand 7 im Anpaßbereich 8 des Vormischbrenners und die Kanalwand 122 des Anpaßbe­ reichs 120 des Diffusionsbrenners 28 sind jeweils einem je­ weiligen, vorab ermittelten Modellströmungsprofil 54 bzw. 121 gegenüber eingeschnürt ausgebildet.

In einem Diffusionsbetrieb des Hybridbrenners 101 wird Ver­ brennungsluft 55 über den Verbrennungsluftzufuhrkanal 30 zu­ geführt und mischt sich im Bereich der Düse 42 mit entweder über den Flüssigbrennstoffzufuhrkanal 29 zugeführten flüssi­ gen Brennstoff 48 oder mit über den Gasbrennstoffzufuhrkanal 45 zugeführten gasförmigen Brennstoff 48a zu einem Verbren­ nungsluft/Brennstoff-Gemisch 50, welches nach dem Austritt aus der Düse 42 gezündet wird. Dabei verbrennt es in einer Flamme teilweise zu einem Rauchgas, wobei sich ein Gemisch 39 aus Brennstoff 48 oder 48a, Verbrennungsluft und Rauchgas bildet, welches in einer Fluidströmung 123 im Anpaßbereich 120 geführt wird. Im Verbrennungsluftzufuhrkanal 30 sind um den Gasbrennstoffzufuhrkanal 45 herum Drallgitter 31 angeord­ net, die zur besseren Durchmischung des gasförmigen Brenn­ stoffs 48a mit Verbrennungsluft 55 dienen.

In einem Vormischbetrieb wird über den Ringkanal 5 Verbren­ nungsluft 49 zugeführt. Im Ringkanal 5 sind um den Pilotbren­ ner 28 herum Drallgitter 32 angeordnet. Über Einlässe 43 kann flüssiger oder gasförmiger Brennstoff in den Ringkanal 5 im Bereich der Drallgitter 32 zugeführt werden und vermischt sich dort mit der zugeführten Verbrennungsluft 49. Hierbei bildet sich ein Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch 51. Durch eine Flamme des Pilotbrenners 28a wird das Verbrennungs­ luft/Brennstoff-Gemisch 51 gezündet und die Verbrennung sta­ bilisiert. Das Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch 51 ver­ brennt teilweise zu einem Rauchgas und mischt sich mit noch unverbranntem Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch 51 zu einem Gemisch 39.

Sowohl im Diffusionsbetrieb als auch im Vormischbetrieb des Hybridbrenners 101 ist bei beiden dargestellten Ausgestaltun­ gen der Kanalwand 7 des Anpaßbereiches 8 in den Bereichen 52 und 53 sowie der Ausgestaltung der Kanalwand 122 des Anpaßbe­ reiches 120 gewährleistet, daß die aus dem Gemisch 39 gebil­ dete Fluidströmung 41 an der Kanalwand 7 und der Innen­ wand 23, sowie die aus dem Gemisch 39 gebildete Fluidströ­ mung 123 an der Kanalwand 120 anliegt. Somit ist eine Wirbel­ bildung im Anpaßbereich 8 und im Anpaßbereich 120 vermieden.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verbrennungssystem mit einer Brennkammer und einem Brenner, der einen Zufuhrka­ nal mit einem Anpaßbereich und eine Zündvorrichtung aufweist. Der Zufuhrkanal dient zur Zuführung von Verbrennungsluft oder einem Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch in eine Brennkam­ mer, wobei der Zufuhrkanal eine Kanalwand aufweist und mit einer Mündung in die Brennkammer mündet. Die Zündvorrichtung dient zur Zündung einer Verbrennung von Verbrennungsluft mit Brennstoff zu einem Rauchgas im Zufuhrkanal. Der vor der Mün­ dung angeordnete Anpaßbereich führt eine Fluidströmung eines sich bei der Verbrennung bildenden Fluides, bestehend aus Verbrennungsluft, Brennstoff, Rauchgas. Die Kanalwand im An­ paßbereich ist so ausgebildet, daß bei einer Nennlast die Fluidströmung an der Kanalwand anliegt. Dadurch wird eine Bildung von Wirbeln der Fluidströmung im Anpaßbereich vermie­ den, so daß eine Anregung von Verbrennungsschwingungen durch eine plötzliche Verbrennung des Verbrennungsluft/Brenn­ stoff-Gemisches in Wirbeln unterbleibt.

Claims (14)

1. Verbrennungssystem (1) mit einer Brennkammer (2) und einem Brenner (3), wobei die Brennkammer (2) eine Brennkammerwand (4) und der Brenner (3), einen Zufuhrkanal (5) sowie eine Zündvorrichtung (10) aufweist, wobei

• a) der Zufuhrkanal (5) zur Zuführung von Verbrennungsluft oder einem Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch (6) dient, eine Kanalwand (7) aufweist und mit einer Mündung (12) in die Brennkammer (2) mündet,
• b) mit der Zündvorrichtung (10) eine Zündung einer Verbren­ nung der Verbrennungsluft mit Brennstoff zu einem Rauchgas (9) im Zufuhrkanal (5) erfolgt und
• c) ein Anpaßbereich (8) als Bestandteil des Zufuhrkanals (5) vor dessen Mündung (12) zur Führung einer Fluidströmung (41) eines sich bei der verbrenungbildenden Gemisches (39), bestehend aus der Verbrennungsluft, Brennstoff und Rauchgas (9) vorgesehen ist, in welchem die Kanalwand (7) so ausgebildet ist, daß bei einem Betrieb des Brenners (3) bei einer Nennlast die Fluidströmung (41) an der Kanalwand (7) anliegt.

2. Verbrennungssystem (1) nach Anspruch 1, wobei sich der An­ paßbereich (8) im Bereich der Mündung (12), in Richtung Brennkammer (2) betrachtet, allmählich erweitert.

3. Verbrennungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kanalwand (7) im Anpaßbereich (8) gegenüber einem Modellströ­ mungsprofil (21) eingeschnürt ausgebildet ist, wobei das Mo­ dellströmungsprofil (21) anhand eines bei der Nennlast be­ triebenen Modellverbrennungssystems (100) mit einem zu dem Brenner (3) äquivalenten Brenner, welcher ohne Anpaßbereich (8) ausgebildet ist, ermittelt ist.

4. Verbrennungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kanalwand (7) im Anpaßbereich (8) wie ein Modellströmungspro­ fil (21) ausgebildet ist, wobei das Modellströmungsprofil (21) anhand eines bei der Nennlast betriebenen Modellverbren­ nungssystems (100) mit einem zu dem Brenner (3) äquivalenten Brenner, welcher ohne Anpaßbereich (8) ausgebildet ist, er­ mittelt ist.

5. Verbrennungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Anpaßbereich (8) frei in die Brennkammer (2) hin­ einragt.

6. Verbrennungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kanalwand (7) des Anpaßbereiches (8) in die Brenn­ kammerwand (4) übergeht.

7. Verbrennungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Brennkammerwand (4) eine äußere Kammer bildet, die eine mit einer Flammrohrwand gebildete innere Kammer umgibt, und wobei die Kanalwand des Anpaßbereiches in die Flammrohr­ wand übergeht.

8. Verbrennungssystem (1) nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, wobei die Kanalwand (7) des Anpaßbereiches (8) als Wandstruktur (22) ausgebildet ist, welche Wandstruktur (22) eine Außenwand (24), eine von der Außenwand (24) umgebene In­ nenwand (23) mit einem dadurch gebildeten Zwischenraum (25) zur Führung eines Kühlfluids (27), insbesondere Kühlluft, aufweist.

9. Verbrennungssystem (1) nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, wobei im Zufuhrkanal (5) nahezu koaxial ein Diffusi­ onsbrenner (28) angeordnet ist, der einen Verbrennungsluftzu­ fuhrkanal (30) und einen Brennstoffzufuhrkanal (29) sowie eine Düse (42) aufweist, wobei der Zufuhrkanal (5) und der Diffusionsbrenner (28) einen Hybridbrenner (101) bilden.

10. Verbrennungssystem (1) nach Anspruch 9, wobei der Ver­ brennungsluftzufuhrkanal (30) einen weiteren Anpaßbereich (120) aufweist.

11. Verbrennungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Zufuhrkanal (5) als Verbrennungsluftzufuhrkanal (30) ausgebildet ist, in dem nahezu koaxial ein Brennstoffzu­ fuhrkanal (29) angeordnet ist, wobei beide Zufuhrkanäle (29 und 30) in einer Düse (42) münden und einen Diffusionsbrenner (28) bilden.

12. Verbrennungssystem (1) nach Anspruch 11, wobei der Diffu­ sionsbrenner (28) nahezu koaxial in einem Zufuhrkanal für Verbrennungsluft oder einem Verbrennungsluft/Brennstoff-Ge­ misch angeordnet ist, so daß der Diffusionsbrenner (28) und der Zufuhrkanal einen Hybridbrenner bilden.

13. Verbrennungssystem (1) nach Anspruch 9, 10 oder 12 mit einem Brenner (3), der als Hybridbrenner für eine Gasturbine ausgeführt ist.

14. Brenner (3), der einen Zufuhrkanal (5) sowie eine Zünd­ vorrichtung (10) aufweist, wobei

• a) der Zufuhrkanal (5) zur Zuführung von Verbrennungsluft oder einem Verbrennungsluft/Brennstoff-Gemisch (6) dient, eine Kanalwand (7) aufweist und mit einer Mündung (12) en­ det,
• b) mit der Zündvorrichtung (10) eine Zündung einer Verbren­ nung der Verbrennungsluft mit Brennstoff zu einem Rauchgas (9) im Zufuhrkanal (5) erfolgt und
• c) ein Anpaßbereich (8) als Bestandteil des Zufuhrkanals (5) vor dessen Mündung (12) zur Führung einer Fluidströmung (41) eines sich bei der Verbrennung bildenden Gemisches (39), bestehend aus Verbrennungsluft, Brennstoff und Rauchgas (9) vorgesehen ist, in welchem die Kanalwand (7) so ausgebildet ist, daß bei einer Nennlast die Fluidströ­ mung (41) an der Kanalwand (7) anliegt.