DE19809364B4

DE19809364B4 - Dynamisch entkoppelter Brenner mit geringen NOx-Emissionen

Info

Publication number: DE19809364B4
Application number: DE19809364A
Authority: DE
Inventors: Jeffry Allan Lovett; Steven George Goebel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2018-03-06
Also published as: JPH10318541A; GB9805139D0; US5943866A; GB2323157B; JP4205199B2; GB2323157A; US6164055A; DE19809364A1

Abstract

Brenner enthaltend:
eine Brennkammer (26) mit einem Dom (26b) an einem stromaufwärtigen Ende und einem Auslaß an einem stromabwärtigen Ende,
mehrere Vormischer (28), die mit dem Brennerdom verbunden sind und die jeweils einen Kanal (30) mit einem Ka-naleinlaß an dem einen Ende zum Aufnehmen von verdichteter Luft, einen Kanalauslaß an einem gegenüberliegenden Ende, das in Strömungsverbindung mit der Brennkammer angeordnet ist, und einen Verwirbler (32) aufweisen, der in dem Kanal neben dem Kanaleinlaß angeordnet ist zum Verwirbeln von hindurchgeleiteter Luft, und
eine Einrichtung (34) zum Injizieren von Brennstoff in jeden der Vormischerkanäle (30) zum Mischen mit der Luft in den Kanälen für eine Strömung in die Brennkammer (26) zur Erzeugung einer Verbrennungsflamme (24) an jedem der Kanalauslässe, wobei die Brennstoffinjektionseinrichtung (34) mehrere Brennstoffinjektionsblenden (40) aufweist, die zwischen dem Dom und den Verwirblern axial im Abstand voneinander angeordnet sind, um den Brennstoff an unterschiedlichen axial abgestuften Abständen von...

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf deren Brenner mit geringen NOx-Emissionen.
Industrielle Gasturbinentriebwerke zur Energieerzeugung enthalten einen Verdichter zum Verdichten von Luft, die mit Brennstoff gemischt und in einem Brenner gezündet wird zum Erzeugen von Verbrennungsgasen. Die Verbrennungsgase strömen zu einer Turbine, die diesen Energie entzieht zum Antrieb von einer Welle, die den Verdichter antreibt, und zum Erzeugen von Ausgangsleistung, um in üblicher Weise beispielsweise einen elektrischen Generator anzutreiben. Das Triebwerk wird üblicherweise für verlängerte Zeiträume bei einer relativ hohen Basislast zum Antreiben des Generators betrieben, um elektrische Energie für beispielsweise ein Versorgungsnetz zu erzeugen. Abgasemissionen aus den Verbrennungsgasen sind deshalb von Bedeutung und Gegenstand von geforderten Grenzwerten.
Genauer gesagt, enthalten Industrie-Gasturbinentriebwerke üblicherweise einen Brenner, der für einen Betrieb mit geringen Abgasemissionen ausgelegt ist und insbesondere für einen Betrieb mit wenig NOx. Brenner mit geringen NOx-Emissionen haben üblicherweise die Form von mehreren Brennertöpfen oder Brennkammern, die in Umfangrichtung aneinander angrenzend um den Umfang des Triebwerks herum angeordnet sind, wobei jeder Brenner mehrere Vormischer aufweist, die mit ihren stromaufwärtigen Enden verbunden sind. Jeder Vormischer weist üblicherweise einen zylindrischen Kanal auf, in dem koaxial ein rohrförmiger Mittelkörper ist, der sich von dem Kanaleinlaß zu dem Kanalauslaß erstreckt, wo er mit einem größeren Dom verbunden ist, der das stromaufwärtige Ende des Brennertopfes und der Brennkammer darin bildet.
Ein Verwirbler mit mehreren auf dem Umfang im Abstand angeordneten Schaufeln ist an dem Kanaleinlaß angeordnet, um die verdichtete Luft zu verwirbeln, die von dem Triebwerksverdichter empfangen wird. Stromabwärts von dem Verwirbler sind geeignete Brennstoffinjektoren angeordnet, üblicherweise in der Form einer Reihe von auf dem Umfang im Abstand angeordneten Brennstoffsprossen, die jeweils mehrere radial im Abstand angeordnete Brennstoffinjektionsblenden aufweisen, die üblicherweise Brennstoff, wie beispielsweise gasförmiges Methan, durch den Mittelkörper aufnehmen für ein Ausstoßen in den Vormischerkanal stromaufwärts von dem Brennkammerdom.
Die Brennstoffinjektoren sind axial stromaufwärts von der Brennkammer angeordnet, so daß der Brennstoff und die Luft genügend Zeit haben, sich zu mischen und vorzuverdampfen. Auf diese Weise unterstützt das vorgemischte und vorverdampfte Brennstoff- und Luftgemisch dessen sauberere Verbrennung in der Brennkammer, um Abgasemissionen zu verringern. Die Brennkammer ist üblicherweise nicht mit Löchern versehen, um die den Vormischer erreichende Luftmenge zu maximieren und deshalb kleinere Mengen an NOx-Emissionen zu erzeugen. Der so entstehende Brenner ist dadurch in der Lage, die geforderten Abgasemissionsgrenzen zu erfüllen.
Mager vorgemischte Brenner mit geringen NOx-Emissionen sind empfindlicher für eine Verbrennungsinstabilität in der Brennkammer, was sich durch dynamische Druckschwingungen bzw. -oszillationen der Verbrennungsflamme zeigt, die, wenn sie geeigneter Weise angeregt werden, einen unerwünscht großen akustischen Lärm und eine beschleunigte Ermüdungsbeschädigung an dem Brenner erzeugen können. Die Flammdruckoszillationen können bei verschiedenen Grund- oder vorherrschenden Resonanzfrequenzen oder deren Harmonischen höherer Ordnung auftreten. Die Flammdruckoszillationen breiten sich stromaufwärts von der Brennkammer in jeden der Vormischer hinein aus und bewirken ihrerseits, daß das darin erzeugte Brennstoff- und Luftgemisch oszilliert oder schwankt.
Beispielsweise variiert bei einer spezifischen Flammdruck-Schwingungsfrequenz der Druck neben den Brennstoffinjektionsblenden zwischen hohen und niedrigen Werten, die ihrerseits bewirken, daß der davon abgegebene Brennstoff in der Strömungsrate von hohen bis niedrigen Werten schwankt, so daß das entstehende Brennstoff- und Luftgemisch eine schwankende Brennstoff- und Luftkonzentrationswelle bildet, die dann stromabwärts in die Brennkammer strömt, wo sie gezündet wird und während des Verbrennungsprozesses Wärme freisetzt. Wenn diese Wärmefreisetzung von der Brennstoffkonzentrationswelle in der Phase an die entsprechende Flammdruck-Schwingungsfrequenz angepaßt ist, tritt deren Anregung auf, wodurch die Druckgröße bei Resonanz ansteigt und einen unerwünscht hohen akustischen Lärm und Ermüdungsbeschädigung hervorruft.
Aus der US-Patentschrift 5 408 830 ist ein Gasturbinentriebwerk mit einem an einer Brennkammer angeschlossenen Vormischrohr bekannt, in dem eine Brennstoffinjektionseinrichtung angeordnet ist. Die Brennstoffinjektionseinrichtung weist einen Zuführabschnitt, der aus vier konzentrischen Rohren ausgebildet ist, und einen an dem stromabwärtigen Ende vorgesehenen Auslasskopf auf. Die Rohre sind radial voneinander beabstandet, so dass sie zwischeneinander kreisringförmige Kanäle definieren. Insbesondere ist zwischen den beiden äußersten Rohren ein Brennstoffkanal ausgebildet, der mit mehreren radialen Brennstoffinjektoren strömungsmäßig verbunden ist, von denen jeder mehrere radial voneinander beabstandete Injektionslöcher aufweist, um gasförmigen Brennstoff in den Vormischkanal austreten zu lassen. Die weiteren Rohre definieren einen Diffusionsgaskanal, durch den beim Anfahren Diffusionsgasbrennstoff in die Brennkammer zur Verbrennung zugeführt wird, einen zentralen Flüssigbrennstoffkanal, durch den in einem Flüssigbrennstoffbetriebsmodus flüssiger Brennstoff zugeführt wird, und einen Zerstäubungsluftkanal, durch den Luft zur Zerstäubung des Flüssigbrennstoffs eingeblasen wird.
In einem Betrieb bei niedrigen NOx-Emissionen wird gasförmiger Brennstoff über den Brennstoffkanal zugeführt und über die Injektionslöcher in den radialen Brennstoffinjektoren in den Vormischkanal entlassen, um sich dort mit der Luft zu vermischen.
Gleichzeitig werden alle restlichen Kanäle mit Luft gespeist, die über den Auslasskopf der Brennstoffinjektionseinrichtung am Einlass der Brennkammer ausgestoßen wird, um zu verhindern, dass Flammengase aus der Brennkammer in den Vormischkanal eindringen. Über die restlichen Kanäle wird kein Brennstoff für den Vormischbetrieb zugeführt.
DE 43 36 096 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen in Brennkammern von Gasturbinenanlagen. Es wird vorgeschlagen, zwei Brenner, die an eine Brennkammer angeschlossen sind, um einen derartigen Abstand in axialer Strömungsrichtung zueinander zu verschieben, dass sich positive und negative Temperaturabweichungen der benachbarten Brenner kompensieren.
Die dynamische Stabilität der Verbrennung kann verbessert werden, indem für eine Fehlanpassung der Phase der Wärmefreisetzung von der Brennstoffkonzentrationswelle mit der Phase der Flammdruckoszillation (das heißt, die hohe Brennstoffkonzentration sollte 180° phasenverschoben zu der hohen Druckoszillation sein) bei einer oder mehreren spezifischen Frequenzen gesorgt wird, um ein Zusammenwirken dazwischen zu entkoppeln und die Flammdruckoszillation dadurch zu dämpfen. Mit der Erfindung sollen weitere Verbesserungen beim dynamischen Entkoppeln des Brennstoffes von der Verbrennungsflammen-Druckoszillation zum Verringern von Brennerinstabilitäten bereitgestellt werden.
Gemäß der Erfindung sind ein Brenner mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 24, ein Vormischer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 22 und ein Verfahren zum dynamischen Stabilisieren einer Verbrennung in einer Brennkammer gemäß den Patentansprüchen 16 bzw. 28 geschaffen.
Erfindungsgemäß verbessern ein Brenner mit geringen NOx-Emissionen und ein Verfahren die dynamische Stabilität von einer Verbrennungsflamme, die von einem Brennstoff- und Luftgemisch gespeist wird. Der Brenner enthält eine Kammer mit einem Dom an dem einen Ende, mit dem mehrere Vormischer verbunden sind. Jeder Vormischer enthält einen Kanal mit einem Verwirbler darin zum Verwirbeln von Luft und mehrere Brennstoffinjektoren zum Einsprit zen von Brennstoff in die verwirbelte Luft für eine Strömung in die Brennkammer, um darin eine Verbrennungsflamme zu erzeugen. Die Brennstoffinjektoren sind axial abgestuft an unterschiedlichen axialen Abständen von dem Dom, um den Brennstoff von der Verbrennung zu entkoppeln und die dynamische Druckamplitude der Verbrennungsflamme zu verkleinern.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und den Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 ist eine schematische Darstellung von einem Abschnitt von einem industriellen Gasturbinentriebwerk mit einem wenig NOx-Emissionen aufweisenden Brenner gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der mit einem Verdichter und einer Turbine in Strömungsverbindung steht.
2 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht von einem Abschnitt von einem Brenner, der einen Vormischer gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält.
3 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht von einem Abschnitt von einem Brenner, der einen Vormischer gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält.
Ein industrielles Turbinentriebwerk 10 enthält einen vielstufigen Axialverdichter 12, der in einer Reihenströmungsverbindung mit einem geringe NOx-Emissionen aufweisenden Brenner 14 und mit einer ein- oder vielstufigen Turbine 16, wie es in 1 gezeigt ist. Die Turbine 16 ist mit dem Verdichter 12 durch eine Antriebswelle 18 verbunden, wobei ein Teil von dieser Antriebswelle 18 davon ausgeht für einen Antrieb von einem elektrischen Generator (nicht gezeigt) zum Erzeugen elektrischer Energie. Während des Betriebs gibt der Verdichter 12 verdichtete Luft 20 in den Brenner 14 ab, wobei verdichtete Luft 20 mit Brennstoff 22 gemischt und gezündet wird zum Erzeugen von Verbrennungsgasen oder einer Flamme 24, aus denen durch eine Turbine 16 Energie entzogen wird, um eine Welle 18 zum Antrieb des Verdichters 12 in Drehung zu versetzen und auch Ausgangsleistung zu erzeugen zum Antrieb des Generators oder einer anderen geeigneten externen Last.
In diesem Ausführungsbeispiel enthält der Brenner 14 mehrere auf dem Umfang aneinander angrenzende Brennertöpfe oder Brennkammern 26, die jeweils durch eine rohrförmige Verbrennungsauskleidung 26a gebildet sind, die vorzugsweise keine Löcher aufweist, um die den Vormischer erreichende Luftmenge zur Reduzierung von NOx-Emissionen zu maximieren. Jede Brennkammer 26 enthält ferner einen im allgemeinen ebenen Dom 26b an einem stromaufwärtigen Ende und einen Auslaß 26c an einem stromabwärtigen Ende. Ein übliches Übergangsstück (nicht gezeigt) verbindet die mehreren Brennkammerauslässe, um einen gemeinsamen ringförmigen Ausgang zur Turbine 16 zu bilden.
Mit jedem Brennkammerdom 26b sind mehrere Vormischer verbunden, die mit der Vorzahl 28 bezeichnet sind und die zahlenmäßig beispielsweise vier oder fünf sein können. Da die Vormischer 28 vorzugsweise miteinander identisch sind, abgesehen von dem, was nachfolgend beschrieben wird, werden gleiche Bezugszahlen für ihre identischen Komponenten verwendet. Jeder Vormischer 28 enthält einen rohrförmigen Kanal 30 mit einem Einlaß 30a an seinem stromaufwärtigen Ende, um verdichtete Luft 20 von dem Verdichter 12 aufzunehmen, und einen Auslaß 30b an einem gegenüberliegenden, stromabwärtigen Ende, der in geeigneter Weise in Strömungsverbindung mit der Brennkammer 26 durch ein entsprechendes Loch in dem Dom 26b angeordnet ist. Der Dom 26b hat üblicherweise eine größere radiale Ausdehnung als die gemeinsame radiale Ausdehnung der mehreren Vormischer 28, wodurch die Vormischer 28 ihre Ausgangsströmung in das größere Volumen ausstoßen können, das durch die Brennkammer 26 gebildet wird. Weiterhin bildet der Dom 26b einen stumpfen Körper, der als ein Flammhalter wirkt, von dem sich während des Betriebs die Verbrennungsflamme 24 stromabwärts erstreckt.
Jeder Vormischer 28 enthält vorzugsweise einen üblichen Verwirbler 32, der mehrere auf dem Umfang im Abstand angeordnete Schaufeln aufweist, die in dem Kanal 30 neben dem Kanaleinlaß 30a angeordnet sind, um verdichtete Luft 20, die hindurchgeleitet wird, in einer üblicher Weise zu verwirbeln. Ein Brennstoffinjektor 34 ist vorgesehen, um Brennstoff 22, wie beispielsweise Erdgas, in die mehreren Kanäle 30 einzuspritzen zum Mischen mit verwirbelter Luft 20 in den Kanälen 30 für eine Strömung in die Brennkammer 26, um eine Verbrennungsflamme 24 an den Kanalauslässen 30b zu erzeugen.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält jeder Mischer 28 ferner einen langgestreckten Mittelkörper 36, der koaxial in dem Kanal 30 angeordnet ist und ein stromaufwärtiges Ende 36a an dem Kanaleinlaß 30a, der mit der Mitte des Verwirblers 32 verbunden ist und sich durch diese erstreckt, und ein stumpfes oder ebenes stromabwärtiges Ende 36b aufweist, das am Kanalauslaß 30b angeordnet ist. Der Mittelkörper 36 ist radial im Abstand von dem Kanal 30 angeordnet, um dazwischen einen zylindrischen Strömungskanal 38 zu bilden.
Der Brennstoffinjektor 34 weist üblicherweise konventionelle Komponenten auf, wie beispielsweise einen Brennstoffbehälter, Leitungen, Ventile und irgendwelche erforderlichen Pumpen zum Leiten von Brennstoff 22 in die mehreren Mittelkörper 38. In dem Ausführungsbeispiel, bei dem der Brennstoff 22 ein gasförmiger Brennstoff ist, wie beispielsweise Erdgas, braucht nur Brennstoff 22 in die Mittelkörper 36 ohne irgendwelche zusätzliche verdichtete Sprühluft geleitet zu werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der Brennstoffinjektor 34 weiterhin mehrere Brennstoffinjektionsblenden, die mit der Vorzahl 40 versehen sind und axial im Abstand voneinander zwischen dem Dom 26b und den Verwirblern 32 angeordnet sind. Die Brennstoffinjektionsblenden 40 spritzen Brennstoff 22 an unterschiedlichen axial abgestuften Abständen ein, wie beispielsweise X₁ und X₂, gemessen stromaufwärts von dem Dom 26b, von dem sich die Flamme 24 stromabwärts erstreckt, um den Brennstoff von der Verbrennung zu entkoppeln, um die dynamische Druckamplitude der Flamme 24 während des Betriebs zu verkleinern, wie es nachfolgend näher beschrieben wird.
Wie oben ausgeführt wurde, bewirken geringe NOx-Emissionen aufweisende Brenner mit Vormischern eine Verbrennungsflamme 24, die während des Betriebs üblicherweise dynamische Druckschwankungen oder -schwingungen hat. Die Verbrennungsflamme 24 ist ein Fluid bzw. Strömungsmittel, das Druckschwankungen bei verschiedenen Frequenzen durchläuft, die üblicherweise eine Grundschwingungskomponente und Harmonische bzw. Oberwellen davon enthält.
Um eine geeignete dynamische Stabilität des Brenners 14 während des Betriebs beizubehalten, sollten die verschiedenen Frequenzen der Druckschwingung auf relativ kleinen Druckamplituden gehalten werden, um Resonanz bei ungeeignet großen Druckamplituden zu vermeiden, die zu einer Brennerinstabilität führen, was sich in einem großen akustischen Lärm oder einer schnellen Ermüdungsbeschädigung oder beidem ausdrückt. Brennerstabilität wird üblicherweise durch Hinzufügung einer Dämpfung herbeigeführt, wobei eine mit Löchern versehene Brennerauskleidung verwendet wird, um die akustische Energie zu absorbieren. Dieses Verfahren ist jedoch bei Brennern mit wenig Emissionen unerwünscht, da die Löcher Filmkühlluft leiten, die die Verbrennungsgase lokal löschen, wodurch CO-Werte erhöht werden, und es wird vorgezogen, die Luftmenge, die den Vormischer erreicht, zu maximieren, um für verminderte NOx-Emissionen zu sorgen.
In einer anderen üblichen Anordnung kann die Wärmefreisetzung von dem Brennstoff- und Luftgemisch, das in die Brennkammer ausgestoßen wird, axial verteilt werden für eine Entkopplung der Wärmefreisetzung von den Druckbäuchen in der Brennkammer. Jedoch ist diese Lösung mechanisch schwieriger zu konstruieren.
Gemäß der Erfindung wird eine axiale Abstufung der Brennstoff- und Luftgemische in den Vormischern 28 herbeigeführt, um die Wärmefreisetzung von den Brennstoff- und Luftgemischen von den Flammdruckschwingungen bzw. -oszillationen in der Brennkammer 26 zu entkoppeln. Die dynamische Entkopplung durch axiale Brennstoffabstufung wird besser verständlich durch ein Verstehen der offensichtlichen Theorie von dynamischen Brennkammervorgängen. Während des Betriebs werden Brennstoff 22 und Luft 20 in Vormischern gemischt, um ein Brennstoff-Luftgemisch zu bilden, das durch jeden der Kanalauslässe 30b in die gemeinsame Brennkammer 26 ausgestoßen wird. Das anfängliche Brennstoff- Luftgemisch wird in üblicher Weise gezündet, um eine Verbrennungsflamme 24 auszubilden, die danach kontinuierlich das eintretende Brennstoff-Luftgemisch entzündet. Die Verbrennungsflamme 24 ist bei verschiedenen Druckschwingungsfrequenzen erregbar, zu denen die akustische Grundfrequenz gehört. Beispielsweise kann die akustische Grundfrequenz 50 Hertz (Hz) mit Harmonischen höherer Ordnung bei 100 Hz und 150 Hz betragen.
Jede spezielle Druckschwingungsfrequenz kann sich stromaufwärts in jeden der Vormischer 30 mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die im allgemeinen gleich der Schallgeschwindigkeit minus der durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit der Luftströmung oder der Strömung des Brennstoff-Luftgemisches durch die Strömungskanäle 38 ist. Wenn die Flammdruckschwingung die Brennstoffinjektionsblenden 40 nach einer stromaufwärtigen Zeitverzögerung erreicht, treten die Druckschwingungen mit diesen in Wechselwirkung, um die abgegebene Brennstoffmenge zu verändern oder zu streuen. Dementsprechend verhält sich das Brennstoff-Luftgemisch, das stromabwärts von den Blenden 40 entwickelt wird, wie eine Schwingung bei der entsprechenden Flammdruck-Schwingungsfrequenz, wodurch eine Brennstoffkonzentrationswelle bewirkt wird. Diese Welle wandert stromabwärts von den Blenden 40 und erreicht die Verbrennungsflamme 24 am Dom 26b nach einer weiteren Zeitverzögerung, die durch Wanderung bei der durchschnittlichen Geschwindigkeit der Luftströmung oder Welle durch den Strömungskanal 38 bewirkt wird. Die Welle durchläuft dann eine Verbrennung, die eine zusätzliche Zeitverzögerung von etwa 0,1 bis etwa 1 Millisekunde (ms) hinzufügt, bevor Wärme von ihr freigesetzt wird.
Die gesamte Zeitverzögerung relativ zur Brennkammer 26 kann auf einfache Weise in Komponenten berechnet werden, indem zunächst die entsprechende axiale Strecke, wie beispielsweise X₁, durch die Differenz der Schallgeschwindigkeit minus der durchschnittlichen Geschwindigkeit der Vorwärtsströmung durch den Strömungskanal 38 für die stromaufwärtige Ausbreitung der Flammdruckschwingung dividiert wird. Als zweites wird die gleiche Strecke X₁ durch die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit für die stromabwärtige Ausbreitung der Brennstoffkonzentrationswelle dividiert; und schließlich wird eine Zeitverzögerung hinzuaddiert für die chemische Freisetzung von Wärme aus dem verbrennenden Brennstoff-Luftgemisch.
Wenn die Zeitverzögerung dann bekannt ist, kann die spezielle axiale Strecke X₁ gewählt werden, um sicherzustellen, daß die Wärmefreisetzung aus der Brennstoffkonzentrationswelle in der Brennkammer 26 phasenverschoben ist zu der Druckschwingung der Flamme 24 bei einer speziellen Frequenz, um die Druckamplitude der Flamme 24 bei diese Frequenz zu dämpfen. Beispielsweise ist die Periode der Schwingung für eine Frequenz von 50 Hz der Kehrwert davon, der gleich 20 ms ist. Für eine spezielle durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit durch die Strömungskanäle 38 kann die zusammengefaßte Zeitverzögerung stromaufwärts von der Flamme 24 zu den Blenden 40 und zurück und einschließlich der Wärmefreisetzungsverzögerung auf einfache Weise berechnet werden, um die erforderliche Strecke X₁ zu ermitteln, die eine Halbperiode von etwa 10 ms hat, um eine Phasenverschiebung von 180° zwischen der Wärmefreisetzung von der Brennstoffkonzentrationswelle und der Flammdruckschwingung sicherzustellen.
Es sollte jedoch beachtet werden, daß die Verweil- oder Konvektionszeit der Brennstoffkonzentrationswelle in dem Vormischer 28 eine geeignete Länge haben sollte, um ein effektives Vormischen und Vorverdampfen für eine Verbrennung mit geringen NOx-Emissionen zu erhalten, aber sie sollte nicht zu lang sein, was das Brennstoff- und Luftgemisch auf eine Selbstzündungstemperatur erhitzen würde, die ein unerwünschtes Rückschlagen der Flamme 24 in die Vormischerkanäle 30 unterstützen würde. Das Rückschlagen bzw. Rückzünden ist selbstverständlich unerwünscht, weil es den Vormischer 30 beschädigen kann, wobei sowohl der Brennkammerdom 26b als auch die stromabwärtigen Mittelkörperenden 36b steil sind, um ein gutes Flammhaltevermögen und eine richtige Verankerung der Flamme 24 während des Betriebs sicherzustellen. Dementsprechend ist der spezielle axiale Abstand der Brennstoffinjektionsblenden 40 begrenzt, um eine geeignete Rückschlaggrenze während des Betriebs sicherzustellen, wobei die Blenden 40 vorzugsweise stromabwärts von den Verwirblern 32 angeordnet sind, um die Gesamtlänge der Kanäle 30 möglichst klein zu machen und um auch sicherzustellen, daß die Verwirbler 32 nicht selbst ein Hindernis mit Flammhaltevermögen bilden.
Die optimale Vormischerkonfiguration ist von den speziellen Umständen für einen gegebenen Brenner abhängig. Somit wird ein mathematisches Modell benutzt, um die entstehende Phasenbeziehung zwischen dem Brennkammerdruck und der Brennstoffkonzentrationswelle zu ermitteln, die an der Flammfront ankommt. Der schwankende Druck P' an der Flammfront wird als eine Sinuswelle angenommen, d.h. P = PcSin(ωt)wobei P_c die dynamische Amplitude ist. Wenn angenommen wird, daß die Brennstoffinjektionsblenden 40 in einem Abstand xf von der Flammfront angeordnet sind, dann wird die an den Blenden 40 ankommende Druckwelle in bezug auf den Kammerdruck um eine Zeit xf/(c-V) verzögert, wobei c die Schallgeschwindigkeit und V die Luftströmungsgeschwindigkeit im Vormischer 28 sind. In ähnlicher Weise wird die am Verwirbler 32 ankommende Druckwelle in bezug auf den Kammerdruck um eine Zeit x_a/(c-V) verzögert, wobei x_a der Abstand ist, in dem der Verwirbler von der Flammfront angeordnet ist.
Die Masse Strömungsgeschwindigkeiten durch die Injektionsblenden 40 und den Verwirbler 32 (mf bzw. m_a) werden nach der Blendengleichung berechnet, so daß
wobei Aef die effektive Fläche der Brennstoffinjektionsblenden 40 ist, Aea die effektive Fläche des Verwirblers 32 ist, P_sf der Versorgungsdruck an den Brennstoffinjetkionsblenden 40 ist, P_sa der Versorgungsdruck am Verwirbler 32 ist und P_ave der durchschnittliche Druck in dem Brenner ist. Die so erzeugte Brennstoffwelle erreicht dann die Flammfront nach einer weiteren Verzögerung von x_f/V aufgrund der Strömungskonvektion durch den Vormischer 28. In ähnlicher Weise kann die Luftströmung als eine Welle beschrieben werden, die durch den Verwirbler 32 erzeugt wird und an der Flammfront nach einer weiteren Verzögerung von x_a/V ankommt. Somit kommt die Brennstoffströmung an der Flammfront nach einer Gesamtzeitverzögerung von
an, und die Luftströmung erreicht die Flammfront nach einer Gesamtzeitverzögerung von
Indem alles auf den Kammerdruck bezogen wird, sind die Strömungsraten der Flamme gegeben durch
Die Brennstoffströmungsrate dividiert durch die Luftströmungsrate zu jedem Augenblick definiert dann das augenblickliche Brennstoff/Luft-Verhältnis in bezug auf die Druckwelle in dem Brenner, das gegeben durch
Dieses Brennstoff/Luft-Verhältnis stellt die Brennstoffkonzentrationsschwankung dar. Das Modell nimmt ferner an, daß die Wärmefreisetzung Q' proportional zu dem Brennstoff/Luft-Verhältnis für relativ kleine Schwankungen in dem Verhältnis ist:
Eine Verbrennungsverzögerung zwischen der Zeit, zu der die Brennstoffkonzentrationswelle an der Flammfront ankommt, und der Zeit, zu der die Wärmefreisetzung auftritt, kann auch eingeschlossen werden; diese Zeitverzögerung liegt üblicherweise in der Größenordnung von 0,1-1,0 msec.
Um den letztendlichen Effekt der Brennstoffkonzentrationswelle auf die Brennerdynamik zu ermitteln, werden Rayleigh's Kriterien betrachtet. Dementsprechend wird ein Verstärkungsfaktor berechnet als das Integral von dem schwankenden Druck P' und der schwankenden Wärmefreisetzung Q':
wobei T eine vollständige Periode (Kehrwert der Frequenz) darstellt. Wenn diese Verstärkung positiv ist, gibt es eine resultierende Übertragung von Wärmeenergie in mechanische Energie oder Druck und die Druckschwingung wird verstärkt. Wenn die Verstärkung negativ ist, wird die Schwingung verkleinert als eine Folge der Konzentrationsschwankung. Der tatsächliche Wert der Verstärkung ist willkürlich. Somit können die Druckschwingungen minimiert werden, indem die Verstärkung minimiert wird.
Das Modell wird auf Zustände angewendet, die für einen gegebenen Brenner erwartet werden, um die Konfiguration des Vormischers 28 zu ermitteln, die für eine Brennstoffkonzentrationswelle sorgt, die zu dem Druck in der Brennkammer 26 phasenverschoben ist, um somit Verbrennungsinstabilitäten zu verkleinern. Für eine gegebene Verbrennungsanwendung werden die effektiven Flächen der Brennstoffinjektionsblenden 40 und Verwirbler 32 spezifiziert, und das Modell wird verwendet, um optimale Werte für die Abstände x_f und x_a zu ermitteln, in denen diese Elemente von Stellen angeordnet sind, wo die Flamme 24 ausgebildet wird.
Betrachtet sei beispielsweise eine Modellvoraussage, bei der ein resultierender Verstärkungsfaktor bei einer Strecke x_f für einen bestimmten Brenner eine vorbestimmte Strecke x_a hat und Verbrennungsinstabilitäten bei Frequenzen von 50 Hz und 100 Hz aufweist. Die Brennstoffinjektionsblenden 40 sollten in einem Abstand von der Flammenfront angeordnet sein, der für relativ kleine Verstärkungen für beide Frequenzen sorgt und somit den Vormischer für beide Frequenzen optimieren würde. Das Modell kann auch in einer iterativen Weise verwendet werden, um optimale Werte zu ermitteln, wobei sowohl x_f als auch x_a variabel sind.
Gemäß der Erfindung kann die Entkopplung des Brennstoffes von der Verbrennung weiter verbessert werden durch ein axiales Abstufen der Brennstoff- und Luftgemische aus den Blenden 40 phasenverschoben zueinander, um die Amplitude der entsprechenden Brennstoffkonzentrationswellen zu verkleinern, die von den Vormischern 28 abgegeben werden, um die dynamische Stabilität der Flamme 24 zusätzlich zu verbessern. Durch axiales Verteilen des injizierten Brennstoffes in den Vormischern 28 während des Betriebs kann die entsprechende Stärke der entwickelten Brennstoffinjektionswellen signifikant verkleinert werden, und die optimale Konfiguration kann sichtbar zur Folge haben, daß sich die verschiedenen Brennstoffquellen gegeneinander aufheben, was eine im wesentlichen konstante Brennstoffkonzentration, die die Vormischer 28 verläßt, zur Folge hat, die deshalb nicht in der Lage sein würde, die Druckschwingungen der Verbrennungsflamme 24 zu speisen oder anzuregen.
Die Erfindung kann in verschiedenen Formen implementiert werden. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der Brennstoffinjektor 34 vorzugsweise eine Anzahl erster Brennstoffinjektionsblenden 40a, die in dem Kanal 30 von einem ersten Vormischer 28a an einem gemeinsamen ersten axialen Abstand X₁ stromaufwärts von dem Dom 26b und dem Kanalauslaß 30b angeordnet sind, wobei der Strömungskanal 38 vorzugsweise dazwischen keine Behinderung aufweist, um jedes unerwünschte Flammhaltevermögen in diesem Bereich zu vermeiden. Der Brennstoffinjektor 34 enthält auch eine Anzahl zweiter Brennstoffinjektionsblenden 40b, die in dem Kanal 30 von einem zweiten Vormischer 28b in einem zweiten gemeinsamen axialen Abstand X₂ stromaufwärts von dem Dom 26b und dem entsprechenden Kanalauslaß 30b angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten Blenden 40a und 40b in einem vorbestimmten axialen Abstand S zueinander angeordnet sind. Der Strömungskanal 38 des zweiten Vormischers 28b ist in ähnlicher Weise vorzugsweise ohne Hindernis von den zweiten Blenden 40b stromabwärts zum Kanalauslaß 30b, um jedes Flammhaltevermögen in diesem Bereich zu vermeiden.
Auf diese Weise wird eine axiale Abstufung des Brennstoffes 22 in dem entsprechenden Paar von Vormischern 28 bewirkt, wobei entsprechende Strömungskanäle 38 von sowohl den ersten als auch zweiten Vormischern 28a und 28b ohne Hindernis sind von entsprechenden ersten und zweiten Blenden 40a und 40b stromabwärts zum Dom 26b, um jede Rückschlagmöglichkeit zu eliminieren. Der Brennstoff 22 kann deshalb von entsprechenden ersten und zweiten Blenden 40a und 40b ohne Begrenzung des Prozentsatzes der gesamten Brennstoffströmung abgegeben werden, wobei eine gleiche Strömungsrate des Brennstoffes für sowohl die ersten als auch zweiten Blenden 40a und 40b wünschenswert ist.
Wie oben angegeben wurde, lehrt die Theorie der Wirkungsweise, daß die Druckschwingung der Flamme 24 bei jeder speziellen Frequenz sich in jedem der Vormischer 28 stromaufwärts ausbreitet und entsprechend verzögert wird aufgrund der Differenz in den axialen Abständen X₁ und X₂. Die stromaufwärtige Ausbreitung der Flammdruckschwingung erreicht entsprechende erste und zweite Blenden 40a und 40b und verändert ihrerseits die Menge an Brennstoff 22, der von ihnen abgegeben wird, um entsprechende erste bzw. zweite Brennstoffkonzentrationswellen zu erzeugen. Diese zwei Wellen schwingen bzw. oszillieren in Verbindung mit der Flammdruckschwingung bei der entsprechenden Frequenz. Indem der axiale Abstand S zwischen den ersten und zweiten Blenden 40a und 40b in geeigneter Weise gewählt wird, können die davon abgegebenen ersten und zweiten Brennstoffkonzentrationswellen veranlaßt werden, zueinander phasenverschoben zu sein, um ihre gemeinsame Amplitude zu verkleinern, wenn sie gleichzeitig in die Kammer 26 ausgestoßen werden, um ihrerseits die Größe der Flammdruckschwingung zu verkleinern, um eine dynamische Druckinstabilität in der Kammer 26 zu verringern. Auf diese Weise wird der von den Vormischern 28a und 28b abgegebene Brennstoff wenigstens teilweise von der Verbrennungsflamme 24 entkoppelt, um die dynamische Stabilität der Flamme 24 in der Brennkammer 26 zu verbessern.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Flammdruckschwingung bei einer interessierenden speziellen Frequenz, wie beispielsweise der Anregungsgrundfrequenz, eine entsprechende Periode, die einfach der Kehrwert der Frequenz ist, und diese ersten und zweiten Brennstoffkonzentrationswellen wandern stromabwärts durch entsprechende Vormischer 28a und 28b mit einer Geschwindigkeit, die im allgemeinen gleich der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der hindurchtretenden Luft 20 ist. Der axiale Abstand S ist vorzugsweise so gewählt, daß er etwa gleich dem Produkt von einer Halbperiode und der Strömungsgeschwindigkeit ist, um eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den ersten und zweiten Brennstoffkonzentrationswellen zu bewirken.
Beispielsweise ist für eine Flammdruck-Schwingungsfrequenz von 150 Hz die entsprechende Periode 6,6 ms. Eine Hälfte von dieser Periode ist 3,3 ms. Wenn als Beispiel die Luftströmungsgeschwindigkeit durch die Strömungskanäle 38 etwa 45 m (150 Fuß) pro Sekunde beträgt, ergibt sich der entstehende Wert für den axialen Abstand S zu etwa 15 cm (6 Zoll). Selbstverständlich kann diese axiale Abstandsdifferenz S durch verschiedene Kombinationen der einzelnen ersten und zweiten axialen Abstände X₁ und X₂ bewirkt werden. In einem Ausführungsbeispiel kann der erste axiale Abstand X₁ etwa 10 cm betragen, wogegen der zweite axiale Abstand X₂ etwa 25 cm betragen kann, um als Beispiel die Differenz von 15 cm dazwischen auszubilden.
Einer der ersten und zweiten axialen Abstände X₁ und X₂ kann so ermittelt werden, damit zusätzlich gewährleistet wird, daß wenigstens eine der ersten und zweiten Brennstoffkonzentrationswellen selbst phasenverschoben ist zu der Flammdruckschwingung bei der entsprechenden Frequenz, um für eine verbesserte Stabilität von ihrer Kombination zu sorgen. Die ersten und zweiten axialen Abstände X₁ und X₂ sollten auch gemäß der üblichen Praxis ermittelt werden, um sicherzustellen, daß eine wirksame Größe an Vormischung und Vorverdampfung in den entsprechenden ersten und zweiten Vormischern 28a und 28b ohne Gefahr eines Rückschlagens bewirkt wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sollte die Brennstoffinjektion stromabwärts von den entsprechenden Verwirblern 32 erfolgen, um sicherzustellen, daß die Verwirbler 32 keine Flammhalterkomponente bilden, die ein Rückschlagen in einzelne Vormischer 28 unterstützen könnte.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der Brennstoffinjektor 34 vorzugsweise auch Sätze von auf dem Umfang im Abstand angeordneten ersten und zweiten Brennstoffsprossen 42a und 42b, die sich von entsprechenden Mittelkörpern 36 radial nach außen erstrecken. Die ersten Blenden 40a sind in ersten Sprossen 42a radial im Abstand voneinander in jeder der Sprossen angeordnet, wobei die zweiten Blenden 40b in ähnlicher Weise in zweiten Sprossen 42b mit radialem Abstand voneinander in jeder der Sprossen angeordnet sind. Auf diese Weise wird der Brennstoff recht gleichmäßig verteilt sowohl in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung über den entsprechenden Strömungskanälen 38. Aber für die axiale Abstufung des Brennstoffes an den entsprechenden ersten und zweiten axialen Abständen x₁ und X₂ können die Vormischer 28 ansonsten konventionell sein. In konventionellen Brennern sind die Vormischer üblicherweise alle gleich, wobei die entsprechenden Brennstoffsprossen in dem gleichen oder identischen axialen Abstand von dem Dom 26b angeordnet sind ohne Bezug auf die Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden erzeugten Brennstoffkonzentrationswellen und ohne Beziehung auf die Phase der entstehenden Wärmefreisetzung relativ zur Phase der Verbrennungsflammenschwingung bei speziellen Frequenzen. Konventionelle Brennstoffsprossen sind üblicherweise identisch konfiguriert und angeordnet, um das Vormischen und Vorverdampfen zu maximieren, um Abgasemissionen aus der Verbrennungsflamme zu minimieren.
Dementsprechend kann durch Ausbildung einer relativ einfachen axialen Abstufung des Brennstoffes durch die ersten und zweiten Brennstoffblenden 40a und 40b eine verbesserte dynamische Brennerstabilität erhalten werden, während trotzdem geringe NOx-Emissionen erhalten werden ohne zusätzliche Gefahr für ein unerwünschtes Rückschlagen oder Rückzünden in den einzelnen Vormischern 28.
Wie oben ausgeführt wurde, enthält die Brennstoffkonzentrationswelle, die von jedem der Vormischer 28 abgegeben wird, sowohl den Brennstoff als auch die Luft als ihre Komponenten. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Brennstoff selbst axial abgestuft zum Herbeiführen der gewünschten entsprechenden Brennstoffkonzentrationswellen. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird der Brennstoff in einer gemeinsamen axialen Ebene eingespritzt, wobei eine axiale Abstufung statt dessen durch Abstufen der Luft bereitgestellt wird, was durch eine neue Positionierung der Verwirbler 32 relativ zueinander erreicht werden kann. Demzufolge kann eine axiale Abstufung dadurch herbeigeführt werden, daß die Luft und/oder der Brennstoff in den Vormischern 28 abgestuft bzw. stufenförmig ausgebildet wird, um die Vorteile der Erfindung zu erreichen.
In 2 ist schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem eine axiale Brennstoffabstufung in jedem oder einem gemeinsamen dritten Vormischer herbeigeführt wird, der mit 28c bezeichnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist jeder der dritten Vormischer 28c identisch zueinander und gibt die Brennstoff-Luftgemische in die gemeinsame Brennkammer 26 ab. Dieses Ausführungsbeispiel kann im wesentlichen identisch zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sein, abgesehen davon, daß die ersten und zweiten Brennstoffsprossen 42a und 42b und die entsprechenden ersten und zweiten Brennstoffinjektionsblenden 40a und 40b gemeinsam in dem gleichen Strömungskanal 38 angeordnet sind, um den Brennstoff an zwei axial im Abstand angeordneten Ebenen darin abzugeben, die durch die entsprechenden ersten und zweiten axialen Abstände X₁ und X₂ bezeichnet sind, wobei dazwischen die axiale Abstandsdifferenz S besteht.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die zweite Sprosse 42b und die zweiten Blenden 40b darin axial zwischen dem Verwirbler 32 und den ersten Sprossen 42a mit den ersten Blenden 40a darin angeordnet. Wenn der dritte Vormischer 28c die gleichen Betriebsbedingungen hat, wie die oben beschriebenen ersten und zweiten Vormischer 28a und 28b, können die gleichen axialen Abstände verwendet werden, d.h. der erste axiale Abstand X₁ beträgt etwa 10 cm, der zweite axiale Abstand X₂ beträgt etwa 25 cm und der axiale Abstand S dazwischen beträgt etwa 15 cm zum Dämpfen der Verbrennungsflammenschwingung bei beispielsweise der Frequenz von 150 Hz.
Die ersten Blenden 40a bewirken die gleiche Brennstoffkonzentrationswelle, die sich stromabwärts davon ausbreitet, und die zweiten Blenden 40b bewirken die zweite Brennstoffkonzentrationswelle, die sich stromabwärts davon ausbreitet, wobei sich die zweite Welle mit der ersten Konzentrationswelle mischt und die zwei Wellen eine kombinierte Brennstoffkonzentrationswelle bewirken, die in die Brennkammer 26 abgegeben wird, um darin eine Verbrennung zu erfahren. Wie oben beschrieben wurde, können die ersten und zweiten Blenden 40a und 40b in Stufen angeordnet sein relativ zueinander in einem axialen Abstand S, so daß die ersten und zweiten Wellen in bezug zueinander phasenverschoben sind, wobei die entstehende kombinierte Brennstoffkonzentrationswelle, die dadurch erzeugt wird, eine wesentlich verkleinerte Druckänderung und eine Größe mit einer verbesserten Konstanz hat. In dem Maße, wie die kombinierte Brennstoffkonzentrationswelle immer noch eine periodische Schwankung bewirkt, kann entweder der erste oder zweite axiale Abstand X₁ oder X₂ auch dazu verwendet werden, sicherzustellen, daß die Wärmefreisetzung von der kombinierten Brennstoffkonzentrations welle ebenfalls phasenverschoben ist zu der Flammdruckschwingung, um den dynamischen Druck in der Flamme 24 bei der entsprechenden einzelnen Frequenz weiter zu senken.
In diesem Ausführungsbeispiel sind jedoch die ersten Brennstoffsprossen 42a zwischen den zweiten Brennstoffsprossen 42b und dem Kanalauslaß 30b angeordnet und bilden deshalb eine Struktur, die für ein Flammenhalten sorgen kann. Deshalb sollte der zweite axiale Abstand X₂ in geeigneter Weise gewählt sein, um sicherzustellen, daß die Vorverdampfung des Brennstoffes stromabwärts von den zweiten Brennstoffsprossen 42b sich nicht in unerwünschter Weise der Selbstzündungstemperatur nähert, was ein Rückschlagen bzw. Rückzünden der Flamme 24 stromaufwärts im Kanal 30 mit einem Flammenhalten an den ersten Brennstoffsprossen 42a bewirken könnte. Dieses Rückschlagen bzw. Rückzünden würde den Vormischer beschädigen, und deshalb sollte eine geeignete Rückzündungs-Sicherheitsgrenze eingehalten werden, indem der zweite axiale Abstand X₂ begrenzt wird oder indem der Prozentsatz an Brennstoffströmung zu den stromaufwärtigen zweiten Brennstoffblenden 40b begrenzt wird, um für eine magerere Brennstoffkonzentrationswelle stromabwärts davon zu sorgen.
Obwohl vorstehend zwei unterschiedliche axiale Ebenen zum axialen Abstufen der Brennstoffinjektion beschrieben worden sind, können gemäß der Erfindung zusätzliche Ebenen der axialen Brennstoffabstufung verwendet werden, um viele dynamische Verbrennungsfrequenzen zu dämpfen oder zu unterdrücken. Jedoch bewirkt jede der Brennstoffsprossen 42a und 42b, die zum Einführen einer entsprechenden Ebene der Brennstoffinjektion verwendet werden, einen unerwünschten Druckabfall und bewirkt ein Strömungshindernis in entsprechenden Strömungskanälen 38, was aus den oben angegebenen Gründen unerwünscht ist.
Dementsprechend ist in 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das als Beispiel einen vierten Vormischer 28d aufweist, der ansonsten identisch mit den vorherigen Vormischern ist, außer daß keine Brennstoffsprossen verwendet werden und statt dessen erste und zweite Brennstoffinjektionsblenden 40a und 40b bündig in der äußeren Oberfläche des Mittelkörpers 36 in jedem der Vormischer in gemeinsamen Strömungskanälen 38 angeordnet sind, um für eine ungehinderte Strömung zur Brennkammer 26 zu sorgen. Auf diese Weise kann eine axiale Brennstoffabstufung an vielen axialen Stellen bewirkt werden, wobei viele Brennstoffkonzentrationswellen dadurch erzeugt werden, um den dynamischen Druck der Verbrennungsflamme 24 bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen zu senken.
Der Mittelkörper 36 kann in diesem Ausführungsbeispiel zusätzliche oder dritte Brennstoffinjektionsblenden 40c aufweisen, die in verschiedenen axialen Ebenen zwischen ersten und zweiten Blenden 40a und 40b angeordnet sind, um Brennstoff 22 axial und in Umfangsrichtung in den Strömungskanal 28 zu verteilen, um gleichzeitig die dynamische Druckamplitude bei vielen Flammdruck-Schwingungsfrequenzen zu senken. Der Brennstoff 22 kann von dem Mittelkörper 36 radial nach außen in Richtung auf die Innenfläche des Kanals 30 verteilt werden, indem die Brennstoffstrahlgeschwindigkeit und das Moment in geeigneter Weise verändert werden, damit die Brennstoffstrahlen, die von den verschiedenen Blenden 40a, 40b und 40c abgegeben werden, den Strömungskanal 38 zu verschiedenen radialen Stellen innerhalb der hindurchströmenden Fluidströmung durchdringen. Wie in 3 gezeigt ist, können die Blenden 40a–c einen zunehmenden Durchmesser im Mittelkörper 36 in stromabwärtiger Richtung haben, so daß stromaufwärtige Blenden 40b Brennstoff 22 mit der radial kleinsten Ausdehnung injizieren, wobei die radiale Durchdringung für die zunehmend größer werdenden Blenden stromabwärts bis zu den ersten Blenden 40a ansteigt, die den größten Durchmesser haben. Das Blendenmuster und der Durchmesser der Blenden kann nach Wunsch geändert werden.
Dieses Verfahren des Verteilens der Brennstoffinjektion auf viele axiale Positionen hat einen Vorteil gegenüber dem Verfahren, die Brennstoffinjektoren an speziellen Positionen anzuordnen, um die phasenverschobenen Brennstoffkonzentrations wellen hervorzurufen, wie es oben beschrieben wurde. Eine einzige Ebene der Brennstoffinjektion kann speziell positioniert sein zum Dämpfen einer speziellen Schwingungsfrequenz der Verbrennungsflamme 24, wie es oben beschrieben wurde. Eine einzige Ebene der Brennstoffinjektion kann auch viele Frequenzen dämpfen, wenn sie in geeigneter Weise nahe beieinander liegen, so daß die Brennstoffkonzentrationswellen mit jeder dieser Frequenzen wenigstens teilweise phasenverschoben sind. Die Verwendung von zwei axialen Brennstoffinjektionsebenen kann eine oder mehr Schwingungsfrequenzen effektiver dämpfen. Die Verwendung von diskreten axialen Injektionsebenen ist durch praktische Überlegungen eingeschränkt, wie es oben an gegeben wurde, und deshalb kann es sein, daß sie nicht effektiv ist zum Dämpfen von allen interessierenden Oberwellenfrequenzen.
Jedoch sorgt das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel für eine praktische Lösung zum Injizieren des Brennstoffes in vielen axialen Ebenen ohne Behinderung des Strömungskanals 38, und deshalb ist es besser in der Lage, einen größeren Bereich von Oberwellenfrequenzen der Schwingung der Flamme 24 während des Betriebs zu dämpfen. Eine axiale Verteilung der Brennstoffinjektion auf diese Weise kann auch nützlich sein zum Hervorrufen von Brennstoffkonzentrationswellen, die zu dem dynamischen Flammendruck phasenverschoben ist, indem die Bandbreite der Effektivität vergrößert wird.
Die verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sorgen für relativ einfache und praktische Mittel zum Einführen einer axialen Brennstoffinjektion an speziellen axialen Stellen innerhalb der Vormischer 28, um die Amplitudenänderung der von den Vormischern abgegebenen Brennstoffkonzentrationswellen für eine Verbesserung der Brennerstabilität zu dämpfen. Weiterhin können die Brennstoffkonzentrationswelleⁿ auch in die Brennkammer 26 abgegeben werden, um sicherzustellen, daß die Wärmefreisetzung davon zu der Verbrennungsflamme phasenverschoben ist, um deren dynamische Antwort weiter zu dämpfen.

Claims

Brenner enthaltend: eine Brennkammer (26) mit einem Dom (26b) an einem stromaufwärtigen Ende und einem Auslaß an einem stromabwärtigen Ende, mehrere Vormischer (28), die mit dem Brennerdom verbunden sind und die jeweils einen Kanal (30) mit einem Ka-naleinlaß an dem einen Ende zum Aufnehmen von verdichteter Luft, einen Kanalauslaß an einem gegenüberliegenden Ende, das in Strömungsverbindung mit der Brennkammer angeordnet ist, und einen Verwirbler (32) aufweisen, der in dem Kanal neben dem Kanaleinlaß angeordnet ist zum Verwirbeln von hindurchgeleiteter Luft, und eine Einrichtung (34) zum Injizieren von Brennstoff in jeden der Vormischerkanäle (30) zum Mischen mit der Luft in den Kanälen für eine Strömung in die Brennkammer (26) zur Erzeugung einer Verbrennungsflamme (24) an jedem der Kanalauslässe, wobei die Brennstoffinjektionseinrichtung (34) mehrere Brennstoffinjektionsblenden (40) aufweist, die zwischen dem Dom und den Verwirblern axial im Abstand voneinander angeordnet sind, um den Brennstoff an unterschiedlichen axial abgestuften Abständen von dem Dom einzuspritzen, wobei der axiale Abstand zwischen den Brennstoffinjektionsblenden (40) derart gewählt ist, dass von den jeweiligen Brennstoffinjektionsblenden (40) herrührende Brennstoffkonzentrationswellen zueinander derart phasenverschoben sind, daß der Brennstoff von der Verbrennung entkoppelt und die dynamische Druckamplitude der Verbrennungsflamme verkleinert wird.
Brenner nach Anspruch 1, wobei: die Vormischer (28) jeweils einen Mittelkörper (36) aufweisen, der koaxial in dem Kanal (30) angeordnet ist und ein stromaufwärtiges Ende an dem Kanaleinlaß, der mit dem Verwirbler (32) verbunden ist, und ein steiles stromabwärtiges Ende an dem Kanalauslaß aufweist und radial innen von dem Kanal im Abstand angeordnet ist, um dazwischen einen Strömungskanal (38) zu bilden, und die Brennstoffinjektionseinrichtung (34) ferner mehrere erste Brennstoffinjektionsblenden (40a), die in einem ersten Vormischerkanal in einem gemeinsamen ersten axialen Abstand (x_i) stromaufwärts von dem Dom angeordnet sind, wobei der Strömungskanal dazwischen ohne Hindernis ist, und mehrere zweite Brennstoffinjektionsblenden (40b) aufweist, die in einem zweiten Vormischerkanal in einem gemeinsamen zweiten axialen Abstand (x₂) von dem Dom angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten Blenden (40a, 40b) in einem axialen Abstand (S) voneinander angeordnet sind.
Brenner nach Anspruch 2, wobei: die Flamme (24) bei einer Druckschwingung anregbar ist, die sich stromaufwärts in die Vormischer (28) ausbreitet, damit die Brennstoff- und Luftgemische aus den ersten und zweiten Blenden (40a, 40b) als erste bzw. zweite Brennstoffkonzentrationswellen schwingen, und der axiale Abstand (S) zwischen den ersten und zweiten Blenden (40a, 40) bewirkt, daß die ersten und zweiten Wellen phasenverschoben zueinander sind, um die Größe der Flammdruckschwingung zu verkleinern und eine dynamische Druckinstabilität in der Brennkammer zu verringern.
Brenner nach Anspruch 3, wobei die axiale Abstufung durch zwei Vormischern (28) ausgebildet wird, wobei die ersten Blenden (40a) in einem ersten Vormischer (28a) angeordnet sind und die zweiten Blenden (40b) in einem zweiten Vormischer (28b) angeordnet sind.
Brenner nach Anspruch 4, wobei die entsprechenden Strömungskanäle (38) von sowohl den ersten als auch zweiten Vor mischern (28) ohne Hindernis sind von den ersten und zweiten Blenden (40a, 40b) bis zu dem Dom (26b).
Brenner nach Anspruch 4, wobei die Flammdruckschwingung eine Periode hat, die ersten und zweiten Wellen mit einer Geschwindigkeit durch die Strömungskanäle (38) wandern und der axiale Abstand (S) etwa gleich dem Produkt von einer halben Periode und der Geschwindigkeit ist.
Brenner nach Anspruch 4, wobei die Brennstoffinjektionseinrichtung (34) entsprechende Sätze von auf dem Umfang im Abstand angeordneten ersten und zweiten Brennstoffsprossen (42) aufweist, die sich von den Mittelkörpern (36) radial nach außen erstrecken, wobei die ersten Blenden (40a) in den ersten Sprossen (42a) und die zweiten Blenden (40b) in den zweiten Sprossen (42b) angeordnet sind und den Brennstoff in radialer Richtung und in Umfangsrichtung über die Strömungskanäle verteilen.
Brenner nach Anspruch 3, wobei die axiale Abstufung in einem gemeinsamen Mischer herbeigeführt ist und sowohl die ersten als auch zweiten Blenden (40a, 40b) in Strömungsverbindung mit dem Strömungskanal angeordnet sind zum Abgeben von Brennstoff an zwei axial im Abstand angeordneten Ebenen darin.
Brenner nach Anspruch 8, wobei die Flammdruckschwingung eine Periode hat, die ersten und zweiten Wellen mit einer Geschwindigkeit durch die Strömungskanäle wandern und der axiale Abstand (S) etwa gleich dem Produkt von einer halben Periode und der Geschwindigkeit ist.
Brenner nach Anspruch 8, wobei die ersten und zweiten Wellen eine kombinierte Brennstoffkonzentrationswelle bilden, die in die Brennkammer abgegeben wird, wobei die ersten und zweiten axialen Abstände (X₁, X₂) bewirken, daß die kombinierten Wellen eine Verbrennung durchlaufen zur Freisetzung von Wärme, die zu der Flammdruckschwingung phasenverschoben ist.
Brenner nach Anspruch 8, wobei die zweiten Blenden (40b) axial zwischen dem Verwirbler (32) und den ersten Blenden (40a) angeordnet sind.
Brenner nach Anspruch 11, wobei der zweite axiale Abstand (X₂) die Funktion hat, die zweite Welle unter einer Rückschlag- bzw. Rückzündungstemperatur an den ersten Blenden (40a) zu halten, um einen Rückschlag bzw. ein Rückzünden an dieser Stelle zu verhindern.
Brenner nach Anspruch 12, wobei die Brennstoffinjektionseinrichtung (34) entsprechende Sätze von auf dem Umfang im Abstand angeordneten ersten und zweiten Brennstoffsprossen (42) aufweist, die sich von dem gemeinsamen Mittelkörper (36) radial nach außen erstrecken, wobei die ersten Blenden (40a) in den ersten Sprossen (42a) angeordnet sind und die zweiten Blenden (40b) in den zweiten Sprossen (42b) angeordnet sind zum Verteilen des Brennstoffes in radialer Richtung und in Umfangsrichtung über den gemeinsamen Strömungskanal.
Brenner nach Anspruch 8, wobei die ersten und zweiten Blenden (40a, 40b) bündig in dem Mittelkörper (36) angeordnet sind zur Ausbildung einer ungehinderten Strömung in die Brennkammer (26).
Brenner nach Anspruch 14, wobei zusätzliche Brennstoffinjektionsblenden (40c) axial zwischen den ersten und zweiten Blenden (40a, 40b) angeordnet sind, um den Brennstoff in axialer Richtung und in Umfangsrichtung in den Strömungskanal zu verteilen für eine gleichzeitige Verkleinerung der dynamischen Druckamplitude bei vielen Flammdruck-Schwingungsfrequenzen.
Verfahren zum dynamischen Stabilisieren einer Verbrennung in einer Brennkammer mit mehreren Luft- und Brennstoffvormischern, die in Strömungsverbindung damit angeordnet sind, enthaltend: Mischen des Brennstoffes und der Luft in den Vormischern, um Brennstoff- und Luftgemische zu bilden, Abgeben der Mischungen in die Brennkammer, Verbrennen der Gemische in der Brennkammer, um eine Flamme zu bilden, die bei einer Druckschwingung anregbar ist, die sich stromaufwärts in die Vormischer ausbreitet, damit die Gemische als Brennstoffkonzentrationswellen schwingen, und axiales Abstufen der Brennstoff- und Luftgemische in den Vormischern, so daß entsprechende Brennstoffkonzentrationswellen zum Entkoppeln des Brennstoffes von der Verbrennung zueinander derart phasenverschoben sind, daß die Größe der Flammdruckschwingung und die dynamische Druckinstabilität in der Brennkammer verkleinert werden.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die axiale Abstufung dadurch ausgebildet wird, daß die Luft und/oder der Brennstoff in den Vormischern abgestuft wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die axiale Abstufung zwischen Paaren von Vormischern ausgebildet wird, wobei eine erste Brennstoffkonzentrationswelle in einem ersten Vormischer und eine zweite Brennstoffkonzentrationswelle in einem zweiten Vormischer ausgebildet wird, wobei die ersten und zweiten Wellen gleichzeitig in die Brennkammer abgegeben werden, um die dynamische Druckinstabilität darin zu verkleinern.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die axiale Abstufung in jedem der Vormischer herbeigeführt wird und wenigstens zwei Brennstoff konzentrationswellen darin ausgebildet bildet werden zum Senken des dynamischen Druckes an einer einzigen Frequenz.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die axiale Abstufung an vielen axialen Stellen mit vielen Brennstoffkonzentrationswellen herbeigeführt wird zum Senken des dynamischen Druckes an mehreren unterschiedlichen Frequenzen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die zwei Wellen eine kombinierte Brennstoffkonzentrationswelle bilden, die für eine Verbrennung in die Brennkammer ausgestoßen wird, um Wärme phasenverschoben zu der Flammdruckschwingung freizusetzen.
Vormischer für eine Gasturbinen-Brennkammer, enthaltend: einen Kanal (30), der mit der Brennkammer (26) in Strömungsverbindung bringbar ist und einen Einlaß (30a) an dem einen Ende zum Aufnehmen von verdichteter Luft und einen Auslaß (30b) an einem gegenüberliegenden Ende, das in Strömungsverbindung mit der Brennkammer (26) angeordnet ist, und einen Verwirbler (32) aufweist, der in dem Kanal (30) neben dem Kanaleinlaß (30a) angeordnet ist zum Verwirbeln der hindurchgeleiteten Luft, und einen Brennstoffinjektor (34), der in dem Kanal (30 angeordnet ist zum Einspritzen von Brennstoff in den Vormischerkanal (30) zum mischen mit der Luft in dem Kanal für eine Strömung in die Brennkammer (26), um eine Verbrennungsflamme (24) an dem Kanalauslaß (30b) zu erzeugen, wobei der Verwirbler (32) und der Brennstoffinjektor (34) in entsprechenden Abständen von dem Auslaß angeordnet sind derart, daß eine Wärmefreisetzung von der Brennstoffkonzentrationswelle, die in der Brennkammer aus der Verbrennung des Brennstoff- und Luftgemisches entwickelt ist, zu einer Druckschwingung der Flamme in der Brennkammer derart phasenverschoben ist, dass die dynamische Druckamplitude der Verbrennungsflamme verkleinert ist.
Vormischer nach Anspruch 22, wobei der Brennstoffinjekt wenigstens eine Brennstoffsprosse (42) aufweist.
Brenner enthaltend: eine Brennkammer (26) mit einem stromaufwärtigen Ende, einen Vormischer (28), der mit dem stromaufwärtigen Ende der Brennkammer verbunden ist und einen Kanal (30) mit einem Einlaß an dem einen Ende zum Aufnehmen von verdichteter Luft und einen Auslaß an einem gegenüberliegenden Ende aufweist, das in Strömungsverbindung mit der Brennkammer angeordnet ist, eine Einrichtung (34) zum Einspritzen von Brennstoff in den Vormischerkanal (30) in einem ersten Abstand stromaufwärts von dem Kanalausgang zum Mischen mit der Luft in dem Kanal für eine Strömung in die Brennkammer, um eine Verbrennungsflamme an dem Kanalausgang mit einer Druckschwingung zu erzeugen, die sich stromaufwärts in den Kanal bis zu der Brennstoffinjektionseinrichtung (34) ausbreitet und den Brennstoff und die Luft in dem Kanal als eine Brennstoffkonzentrationswelle in Schwingung versetzt, und wobei der erste Abstand so gewählt ist, daß die Brennstoffkonzentrationswelle an dem Kanalausgang ankommt und eine Verbrennung durchläuft, um zu der Flammdruckschwingung Wärme derart phasenverschoben freizusetzen, dass die dynamische Druckamplitude der Verbrennungsflamme verkleinert ist.
Brenner nach Anspruch 24, wobei der erste Abstand so gewählt ist, daß die Wärmefreisetzung 180 phasenverschoben zu der Flammdruckschwingung ist.
Brenner nach Anspruch 24, wobei die Flammdruckschwingung an zwei diskreten Frequenzen auftritt und der erste Abstand so gewählt ist, daß die Wärmefreisetzung phasenverschoben zu der Flammdruckschwingung bei beiden Frequenzen ist.
Brenner nach Anspruch 24, wobei der Lufteinlaß des Kanals axial stromaufwärts von dem Kanalausgang in einem zweiten Abstand angeordnet ist, der größer als der erste Abstand ist und in Verbindung damit gewählt ist zum Erzielen der phasenverschobenen Wärmefreisetzung und Flammdruckschwingung.
Verfahren zum dynamischen Stabilisieren der Verbrennung in einer Brennkammer mit einem Luft- und Brennstoffvormischer, der in Strömungsverbindung damit angeordnet ist, enthaltend die Schritte: Mischen des Brennstoffes und der Luft in dem Vormischer, zur Bildung eines Brennstoff- und Luftgemisches, Abgeben des Gemisches in die Brennkammer, Verbrennen des Gemisches in der Brennkammer zur Bildung einer Flamme mit einer Druckschwingung, die sich stromaufwärts in den Vormischer ausbreitet und das Gemisch als eine Brennstoffkonzentrationswelle in Schwingung versetzt, und zeitliches Verzögern der Verbrennungswärmefreisetzung der Brennstoffkonzentrationswelle phasenverschoben zu der Flammdruckschwingung in der Kammer durch Einspritzen des Brennstoffs in die Luft in dem Vormischer in einem derartigen axialen Abstand stromaufwärts von der Flamme, dass die Phase der Brennstoffkonzentrationswelle zu der Phase der Flammdruckschwingung eingestellt wird, um die dynamische Druckinstabilität in der Kammer zu verkleinern.