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WO2015040228A1 - Brenner für eine gasturbine und verfahren zur reduzierung von thermoakustischen schwingungen in einer gasturbine - Google Patents

Brenner für eine gasturbine und verfahren zur reduzierung von thermoakustischen schwingungen in einer gasturbine Download PDF

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WO2015040228A1
WO2015040228A1 PCT/EP2014/070168 EP2014070168W WO2015040228A1 WO 2015040228 A1 WO2015040228 A1 WO 2015040228A1 EP 2014070168 W EP2014070168 W EP 2014070168W WO 2015040228 A1 WO2015040228 A1 WO 2015040228A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel
burner
passage
combustion chamber
fuel passage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2014/070168
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English (en)
French (fr)
Inventor
Berthold Köstlin
Bernd Prade
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to US14/911,766 priority Critical patent/US20160195271A1/en
Priority to CN201480040866.3A priority patent/CN105393057B/zh
Priority to EP14780788.7A priority patent/EP3004743B1/de
Publication of WO2015040228A1 publication Critical patent/WO2015040228A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • F23M20/005—Noise absorbing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/70—Baffles or like flow-disturbing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/06043—Burner staging, i.e. radially stratified flame core burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00008—Burner assemblies with diffusion and premix modes, i.e. dual mode burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00002—Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00013—Reducing thermo-acoustic vibrations by active means

Definitions

  • the invention relates to a burner for a gas turbine, which is designed in particular for the combustion of low calorific fuel gas.
  • the invention also relates to a ⁇ Ver drive for the reduction of thermoacoustic vibrations in a gas turbine, wherein the burner is adapted for carrying out the method.
  • thermoacoustic oscillations which in particular in the combustion chamber of a gas turbine auftre ⁇ th, can lead to significant damage to the components during operation of the gas turbine and force shutdown of the system.
  • the invention also relates to a method for reducing thermoacoustic oscillations in a gas turbine comprising at least one burner, in which a delay time profile of a fuel stream flowing in a first fuel passage of the burner is adapted to reduce the thermoacoustic oscillations.
  • the generic burner comprises to provide a to be combusted in the combustion chamber of the gas turbine fuel gas at least the above-mentioned first to be supplied with fuel ⁇ hydrogen gas fuel passage and for providing ⁇ position of the air required for combustion with a
  • the two passages each have a main outlet opening into the combustion chamber of the gas turbine.
  • the fuel passage may be formed as Vormischpassage or diffusion passage.
  • the fuel passage to at least one drove for the fuel gas connected.
  • the burner may include further passages. For example, to initiate with the burner a variety of different fuels for combustion in the combustion chamber.
  • the individual passages can also be connected to a plurality of feed systems, depending on the operating state of the burner to pressurize the passages with different fuels or flushing fluids.
  • the invention relates to a generic burner which comprises at least one connection channel arranged upstream of the main outlet openings and fluidically connecting the air passageway and the fuel passageway.
  • Burners are known from the prior art, which includes a number of fuel nozzles to broaden a delay time profile of a flowing in a first fuel passage fuel gas flow, which lead into the first Brennstoffpas ⁇ sage and offset in the flow direction to each other.
  • the invention has for its object to provide a burner and a method of the type mentioned, with which the reduction of thermoacoustic oscillations in a combustion chamber of a gas turbine is made possible in an alternative manner.
  • the burner is designed such that a part of the air flowing into the Brennstoffpas ⁇ say fuel gas at least flows in at least a first operating state of the burner at impinged air ⁇ passage with compressor air and impinged fuel ⁇ passage with fuel gas via a Verbin ⁇ dung channel in the air passage.
  • the branched off part of the fuel stream is to its combustion through the main exit opening of the air passage into the interior of the
  • Combustion chamber can be introduced.
  • a remaining in the fuel passage portion of the fuel gas can be introduced through the main outlet ⁇ opening of the fuel passage in the interior of the combustion chamber.
  • the amount and radial fuel distribution of the branched portion of the fuel stream is such that the feedback of the heat release variations with the pressure variations in the combustion chamber is reduced.
  • the invention is based on the recognition that the radial
  • Distribution of the fuel - especially in a synthesis gas mixture - plays a crucial role in the acoustic ⁇ cal stability of the burner.
  • the burner according to the invention allows a better acoustic stability, so that an extended operating range of the burner is possible in terms of load and fuel quality.
  • the radial fuel / air distribution of a fuel stream flowing in a fuel passage may be adjusted without significantly altering basic aerodeign parameters of the fuel passage such as swirl number, pressure loss, and major dimensions of the passage.
  • the invention allows Also, with different fuel compositions to adapt the burner to the thermoacoustic behavior of the combustion chamber, without requiring an adjustment of the entire fuel passage would be required.
  • the burner according to the invention is designed such that in at least a first operating state of the burner when acted upon air passage with compressor air and at
  • the burner is designed such that the fuel stream, after it already flows in the fuel passage, is split.
  • kei ⁇ ne division in the area of the supply system of the fuel instead but instead takes the division / branch after the introduction of the fuel in the fuel passage, but upstream of the main outlet.
  • the burner is configured such that the feedback of the heat release fluctuations with the pressure fluctuations in the combustion chamber is reduced by the division / branching of the fuel stream flowing in the first fuel passage.
  • the flame front changes in front of the burner. This can be adjusted by means of the amount and the radial distribution of the branched portion of the fuel stream such that the feedback of the heat release fluctuations is reduced with the pressure fluctuations in the combustion chamber. To achieve a relevant change in the flame front, the radial extends
  • Fuel distribution of the branched portion of the fuel flow substantially over the thickness of one between the Emerging streams occurring shear layer out into the air passage.
  • the invention thus is not related to a manipulation of the thickness of the shear layer between the emerging from the air passage and the compressor air stream exiting the main outlet opening of the fuel passage fuel ⁇ current. Rather, to reduce feedback of the heat release variations with the pressure variations in the combustion chamber, the invention proceeds in a different way by varying the amount and radial fuel distribution of a branched portion of the fuel gas flowing in the fuel passage such that a change in flame front (i.e. accompanied by a change in the delay time profile of the fuel flow) the reduction of a feedback of the heat release fluctuations with the pressure fluctuations in the combustion chamber is effected.
  • Diameter should be selected accordingly in the two passages.
  • the burner for producing suitable pressure conditions on the connecting channels comprises flow guiding means in the fuel gas and / or adjusting element in the region of the connecting channels, which suitably determine the static pressure in the inlet region of the connecting channels.
  • the flow guide and / or adjusting elements can be changed or exchanged to adapt the distribution / branching of the fuel stream, for example, in their position or shape.
  • the position of the connection channels in the passages can be freely selected over a wide range.
  • connection channels are arranged downstream of the Zulei ⁇ lines used in the first operating condition of air or supply line of the fuel gas and upstream of the two main outlet openings of the two passages, so that fuel gas can be diverted into the air flow.
  • the main outlet opening may be formed, for example, as an annular opening at the outlet of the passage.
  • the Hauptaus ⁇ outlet opening of a plurality of holes in a (covering the outlet opening of the burner passage) sheet exist.
  • the main exit opening is arranged at the combustion chamber end of the passage.
  • the connecting channels are arranged along a fuel passage delimiting wall, for example in a running order ⁇ sequence so that their inlet openings are arranged in a circumferential row in the fuel passage and the channels through the wall to the Heilpas ⁇ say extend.
  • the pressure conditions in the burner can be designed such that the kauska ⁇ ducts also a flashback in the burner at sketch ⁇ off supply of the fuel supply in the first
  • the burner is designed such that the bewirk ⁇ te through the branch common delay time profile of the remaining portion and the diverted portion of the fuel stream is adapted to a thermo-acoustic behavior of the combustion chamber, so that the feedback of heat release fluctuations with the Pressure fluctuations in the combustion chamber is reduced.
  • the flame front changes in front of the burner. It may thus set a different common delay profile of the diverted and the remaining part of the fuel flow.
  • the delay time is the period of time that the fuel from the Outlet from the burner to the flame front needed. Since the fuel having different delay in Brennstoffström ⁇ times (depending on the point of exit at the burner outlet and depending on the location of the flame front of the exit location), is located in the respective operating state, a delay time profile of the combustion ⁇ a material stream.
  • An undesirable feedback of heat ⁇ release variations and pressure fluctuations in the combustion chamber can be reduced by means of the division and diversion of the fuel flow, since depending on the amount and radial fuel profile of the branched portion of the fuel stream, the common delay profile can change. For example, if the proportion of the profile reduces whose Ver ⁇ zugszeit substantially corresponds to the frequency of a preferential combustion chamber pressure fluctuation, this reduces a feedback of heat release fluctuations and pressure variations in the combustion chamber.
  • the inventive design of the burner is thus the ⁇ art that at least in the first operating state for the thermoacoustic behavior of the combustion chamber damping or
  • thermoacoustic vibration behavior is meant that gas turbine combustors depending on the power range preferably at certain frequencies / frequency bands for rocking thermoacoustic oscillations tend (characteristic buzzing behavior). These frequencies are also referred to as preferential combustion chamber pressure fluctuations. If the delay profile of a burner is adjusted accordingly-in particular widened-this can counteract a rocking of the oscillations in the range of at least one such characteristic hum / frequency band. In this sense, the delay profile can be adapted to the thermo-acoustic behavior of the combustion chamber or tuned thereto and counteract a buildup of thermoacoustic oscillations in the combustion chamber.
  • the delay profile can be, for example, by means of the proportion and / or the penetration depth (radial profile) and / or the distribution of the branched fuel stream to the individual ⁇ nen connecting channels influence.
  • the burner comprises ⁇ be consulted the first fuel passage a correspondingly-trained branch that the fuel stream be ⁇ acts at least in the first operating state, a damping acting on the thermo-acoustic behavior of the combustion chamber late time profile.
  • An advantageous embodiment of the invention can provide that the first fuel passage is designed at least for a Beauf ⁇ regain with low calorific fuel gas.
  • a low calorific fuel - in contrast to a standard fuel - in particular a fuel with a calorific value of below 20 MJ / kg, preferably below ⁇ 10 MJ / kg, to understand.
  • Synthesis gas usually has main components of CO, H 2 and, if appropriate, secondary components such as N 2 and Co 2 as well as water vapor.
  • Standard fuel is usually a normal and / or high calorific fuel whose calorific value is well above 30 MJ / kg. Normal natural gas has in ⁇ play a calorific value usually between 40 to 50 MJ / kg.
  • the combustible component of standard fuels for gas turbines consists essentially of hydrocarbons.
  • the combustible constituents of the synthesis gas are essentially CO and H2. Due to the low calorific value consequently high volume flows of fuel gas must be supplied through the burner of the combustion chamber. This has the consequence that for the combustion of low calorific fuels - such as synthesis gas - one or more separate fuel ⁇ fuel passages must be made available. Because of the high reactivity of synthesis gases compared to conventional fuels such as natural gas and oil, there is a significantly higher risk of flashback.
  • the present invention can be applied in a particularly vorteilhaf ⁇ ter way to this fuel passage for low calorific fuels.
  • the fuel passage may be configured for a diffusion operation or a premix operation for introducing the low-calorie fuel gas into the combustion chamber.
  • the low calorie fuel gas which may be in particular synthesis gas - premixed with air to a low calorific fuel-air mixture and a conversion of low calorie fuel-air mixture avoided in the fuel passage, so that the fuel-air Mixture is first converted into a hot gas in the combustion chamber.
  • the invention preferably starts from a synthesis gas passage for a diffusion operation in which a swirl is imparted to the fuel flow by means of swirl generators by means of blades.
  • the synthesis gas passage is formed as an annular space before Trains t ⁇ passage and may be tapered downstream formed.
  • the burner can be arranged substantially rotationally symmetrical about a longitudinal axis, so that a main ⁇ flow direction of the flowing in the passages of the burner fluid substantially in the direction of the longitudinal axis has (in particular in the radially closer to the longitudinal axis arranged passages) or at least one Component has in the direction of the longitudinal axis (in particular in the radially outer passages, which can run upstream substantially first diagonal to the longitudinal axis and downstream approach a parallel course of the longitudinal axis).
  • the air passage and the fuel passage can be arranged at least in sections ko ⁇ axially to each other, in particular the Lucaspassa ⁇ ge coaxially around the fuel passage.
  • the Hauptaus ⁇ openings of the air passage and the fuel passage are arranged such that the coaxially surrounding the passage with respect to an axis perpendicular to the longitudinal axis projective is arranged on-level around the other main outlet opening around.
  • a particularly simple structure results when the Heilpas ⁇ say and the fuel passage adjacent at least partially along a substantially cylinder and / or truncated cone-shaped wall adjacent to each other, wherein the connecting channels are formed as holes in the wall.
  • an adjustment member can be at least Any artwork ⁇ arranged in the region of the connecting channels, so that the proportion and / or the radial
  • Inflow profile and / or the division of the kausungska ⁇ channels of bring from the fuel passage in the air passage ask ⁇ fuel gas is set and / or adjustable by means of at least one input element.
  • the adjustment member can the static pressure in the region of the inlet opening of at least one connecting channel impressed ⁇ influence, so that an appropriate position of the inlet opening is set not only by the self-adjusting in the first operating state in the fuel passage pressure conditions.
  • the adjustment can be more easily adjusted to a desired delay time profile (at ⁇ example by replacing or changing its shape) as the position or size of the at least one connecting channel.
  • a flow guiding means is arranged in the fuel gas passage, which increases the static pressure in the region of the inlet openings of the connecting channel when the fuel passage is exposed to fuel gas.
  • the Strö ⁇ mungsleitsch includes a substantially toroidally-shaped plate, wherein the plate is arranged circumferentially on an inside of a fuel passage defining wall.
  • sheet metal refers to the shape, but is not to be understood as limiting the choice of material in the context of this invention.
  • the sheet metal can, contrary to a main flow direction in the fuel passage, extend obliquely into the interior of the fuel passage. For example, it may project beyond at least a portion of the inlet openings of the connection channels.
  • the substantially annular plate between the downstream of the inlet openings of the connecting channels nen nen areas each have a recess, so that the sheet, for example, downstream of the inlet openings comprises a triangular or trapezoidal pinnacle ,
  • the adjustment element may comprise a number of flow-guiding means which are designed as triangular or trapezoidal sheets.
  • the triangular sheets may be arranged on the inside of the fuel passage analogous to the above-mentioned substantially annular sheet.
  • the individual sheets have Allerding the advantage that downstream of the areas between the inlet openings no unfavorable pressure loss raised stabili ⁇ Henden areas of a flow guide are arranged.
  • An alternative, advantageous embodiment of the flow ⁇ conducting means may comprise at least one cap-shaped element having an input opening, which is arranged with the input opening in the direction of the inlet opening of a connecting channel downstream of the inlet opening on an inner side ei ⁇ ner the fuel passage limiting wall.
  • the cap-shaped element in wesent ⁇ union have the shape of a quarter-hollow sphere. This can project beyond the inlet opening at least partially.
  • At least one adjusting element is tubular, wherein the tubular adjusting element is in particular at least partially disposed in each case one of the connecting channels.
  • the at least one tubular Einstellele- elements are each partially inserted in a connecting channel and protrude into the air passage, so that the radial position of the junction of flowing through the respective connecting channel, branched partial flow accurately positioned ⁇ who can. How far the tubular adjusting element protrudes into the air passage can, depending on the desired radial
  • the at least one tubular adjusting element can for example be arranged completely in each case in a connecting channel.
  • the wall thicknesses of the at least one tubular adjustment member may be selected according to adjust the ra ⁇ Dialen Einströmprofils of the diverted fuel flow.
  • for example approximately can be fastened in extension of a connecting channel on the inside of the air passage at least one rohrför ⁇ -shaped adjusting element.
  • the at least one tubular adjusting element additionally or alternatively to the aforementioned embodiments protrude into the fuel passage and include, for example, at its projecting into the Brennstoffpassa ⁇ ge end an inlet shell.
  • the inlet shell can be designed, for example, analogously to the triangular metal sheets or the quarter-hollow sphere.
  • the ge ⁇ named embodiments of the tubular Einstellele ⁇ ment can be combined with each other, for example, or used individually. If a plurality of such tubular adjustment elements are provided, they may all be of the same design depending on the desired radial inflow profile of the branched fuel stream or may differ from one another, for example in accordance with the exemplary embodiments mentioned and their combinations.
  • Another object of the invention is to provide a method of the type mentioned, with which the reduction of thermo-acoustic vibrations in a combustion chamber of a gas turbine is made possible in an alternative manner.
  • the object is achieved with a method of the type mentioned at the outset a ⁇ characterized in that for adjusting the delay time profile of a fluid flowing in a first fuel passage fuel stream, a remaining part of the
  • BrennstoffStromes is introduced through at least one main outlet opening of the first passage in the combustion chamber and a branched off part of the fuel stream is introduced downstream of its introduction into the fuel passage and upstream of the main outlet opening via at least one connecting channel in at least a second passage, wherein the branched-off part of the fuel stream separately is initiated by the verblei ⁇ reproduced Brennstoffström into the combustion chamber so that the partial flows are incinerated after their emergence from the burners with different delay times or delay time profiles in the combustion chamber, for adjusting the delay time profile of the proportion of the branched-off partial ⁇ current and / or the inflow profile and / or its implementation distribution is provided on the at least one connecting channel in such a ⁇ that the feedback of the heat release ⁇ fluctuations is reduced with the pressure fluctuations in the combustion chamber.
  • Inflow and / or its distribution to the at least one connecting channel of the branched portion of the fuel stream ⁇ are set before starting the burner and / or during operation of the burner.
  • the adaptation of the at least one Strömungsleitschs and / or adjusting element can be done by replacing and / or adjusting its shape and / or position.
  • Another object of the invention is to provide a combustion chamber with at least one burner and a gas turbine having Minim ⁇ least such a combustion chamber with which the suppression of thermoacoustic oscillations in a Combustion chamber of a gas turbine is made possible in an alternative manner.
  • FIG. 1 schematically shows a longitudinal section through a gas turbine according to the prior art
  • Figure 4 shows schematically a longitudinal section through a burner according to the invention according to a third embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a gas turbine 1 according to the prior art.
  • the gas turbine 1 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 2 rotor 3 with a shaft 4, which is also referred to as a turbine runner.
  • a turbine runner which is also referred to as a turbine runner.
  • the combustion chambers 10 each include a burner assembly 11 and a housing 12, which is lined with a heat shield 20 for protection against hot gases.
  • the combustion system 9 communicates with a beispielswei ⁇ ring hot gas channel.
  • a beispielswei ⁇ ring hot gas channel There form a plurality hinterei ⁇ Nander turbine stages, the turbine 14.
  • Each turbine nenlargement is formed of blade rings. Viewed in the flow direction of a working medium follows in the hot runner formed by a number 17 vanes row formed from blades 18 row.
  • the guide vanes 17 are secured to an inner housing of a stator 19 whereas the blades 18 running a series, for example by means of a Turbi ⁇ nenrace on the rotor 3 are attached.
  • ⁇ is coupled to the rotor 3, a generator, for example (not shown).
  • FIG. 2 shows schematically a section of a burner 24 according to the invention for a gas turbine according to a first embodiment in a longitudinal section.
  • the burner 24 includes one with compressor air
  • an annular channel air passage 26 an opening formed for the application of synthesis gas fuel passage 28, and a secondary feeding unit 30 (not explicitly shown) may comprise for introducing fluid egg nes a pilot burner and white ⁇ tere passages (not explicitly shown).
  • the burner has a substantially rotationally symmetrical structure about a longitudinal axis 32.
  • the air passage 26 coaxial with the designed for Syn ⁇ synthesis gas fuel passage 28, which in turn koaxi ⁇ al surrounds the secondary feeding unit 30 comprises.
  • Both the second coordination sphere feed unit 30 and the two passages 26 and 28 each have an opening into the combustion chamber 34 Hauptaus ⁇ opening 36, 38, 40th
  • the main outlet openings 36 are arranged around the main outlet opening 38 with respect to the projection plane 50 running perpendicular to the longitudinal axis 32.
  • the main flow direction is illustrated in the inlet region with an arrow L xx , is impressed by a in the air passage to ⁇ arranged swirler 42 (Swirler) a twist.
  • the vanes of the swirl generator extend from a passage defining inner wall 44 to a passage defining outer wall 46, the vanes being annular over the circumference of the wall.
  • a synthesis gas ⁇ stream 48 (which also before entry into the illustrated exhaust of the fuel passage section 28 provided with compressor air can be ⁇ mixed) via a Zu110 Gustavssystem.
  • the supply line system is not shown in the figure, because it is outside the section shown.
  • a swirl generator in the fuel passage 28 to 52 are also finely ⁇ sorted. Downstream of the blades 52, the fuel passage 28 and the air passage 26 are fluidly connected to each other via connection channels 54.
  • connection channels 54 are in the illustrated embodiment in a range angeord ⁇ net, in which the air passage 26 and the fuel passage 28 along a substantially cylinder jacket-shaped wall 56 adjacent to each other, wherein the connecting channels 54 are formed as holes in the cylinder jacket-shaped wall 54.
  • the burner 24 is designed such that in at least ei ⁇ nem first operating state of the burner when acted upon air passage 26 with compressor air and when acted upon
  • the configuration of the diversion is such that the common delay time profile of the fuel stream a Aufschau ⁇ angles of thermoacoustic oscillations, which occur in the respective gene combustion chamber 34 of the gas turbine in dependence on the Leis ⁇ processing area at characteristic frequency bands is at least prevented in a frequency band or reduced , Thus, a feedback of cherriesstreietzungs ⁇ fluctuations and pressure fluctuations in the combustion chamber is reduced.
  • the delay time profile is adapted to the thermoacoustic behavior of the combustion chamber 34 by means of an adjustment element 60.
  • the adjusting element 60 consists of a flow guide 62, which is arranged downstream of the fuel passage side inlet openings 64 of the connecting channels 54 in the fuel passage 28 and when the fuel passage 28 with fuel gas 28, the static pressure in the region of the inlet openings 64 of Connection channels 54 increased.
  • the flow ⁇ guiding means 62 has the shape of a substantially annular plate 66 formed. This is circumferentially on the inner ⁇ side 68 of the fuel passage 28 bounding wall 56th arranged and extends against a Hauptströmungs ⁇ direction 70 in the fuel passage 28 inclined into the interior of the fuel passage into it.
  • the sheet 66 extends in this case while maintaining a distance over at least a portion of the inlet openings 64.
  • the proportion and / or the radial inflow profile and / or the allocation to the a ⁇ individual connecting channels can of the fuel gas branched off from the fuel passage 28 into the air passage 26 by means of the at least one adjusting element 60.
  • Inlets of the connection channels located areas are arranged.
  • the adjustment member 60 may consist of a number of sheets best ⁇ hen, which are each arranged downstream of the inlet openings 64th These can, for example, as shown in Figure 3 Darge ⁇ , have the shape of triangular sheets 74 which are bent over the inlet openings. For the sake of clarity, only a single such sheet 74 is shown in FIG.
  • the adjusting element 60 may consist of a series of cap-shaped elements 84 which each comprise an inlet opening 86 and point downstream of the inlet opening 64 in the direction of the inlet opening 64 of a connecting channel 54 an inside 68 of the fuel passage 28 bounding wall 56 are arranged and preferably at least partially project beyond the inlet opening 64.
  • the cap-shaped element 84 essentially comprises the Shape of a quarter-hollow sphere on. In FIG. 4, for the sake of clarity, only such a quarter-hollow sphere is shown. The invention shown in Figures 2 to 4
  • Burners 24 are suitable for carrying out the method according to the invention.
  • a remaining portion 80 of the fuel stream is at least one main outlet opening 38 of the fuel passage 28
  • a branched off part 82 of the fuel stream is, downstream of its introduction into the fuel passage and current ⁇ on the main outlet openings 36 and 38, via the connecting channels 54 in the air passage 26 introduced.
  • the burner 24 is designed such that the common delay time profile of the fuel streams 82 and 80 on the proportion of the branched partial stream 82 and / or its inflow and / or its distribution to the at least one connecting channel 54 is tuned to a thermoacoustic behavior of the combustion chamber 34, so a feedback of heat release fluctuations and pressure fluctuations in the combustion chamber is reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner (24) für eine Gasturbine (1), mit mindestens einer mit Verdichterluft beaufschlagbaren Luftpassage (26) und mindestens einer mit mindestens einem Brennstoffgas beaufschlagbaren Brennstoffpassage (28), wobei die beiden Passagen (26, 28) jeweils eine in die Brennkammer (34) der Gasturbine (1) mündende Hauptaustrittöffnung (36, 38) aufweisen, wobei die Luftpassage (26) und die Brennstoffpassage (28) über mindestens einen stromauf der Hauptaustrittsöffnungen (36, 38) angeordneten Verbindungskanal (54) fluidisch miteinander verbunden sind. Der Brenner ermöglicht die Reduzierung von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer einer Gasturbine in einer alternativen Art und Weise. Hierzu ist der Brenner (24) derart ausgebildet, dass in mindestens einem ersten Betriebszustand des Brenners bei beaufschlagter Luftpassage (26) mit Verdichterluft und bei beaufschlagter Brennstoffpassage (28) mit Brennstoffgas ein Teil (82) des in der Brennstoffpassage strömenden Brennstoffgases über mindestens einen Verbindungskanal (54) in die Luftpassage (26) strömt und zu seiner Verbrennung durch die Hauptaustrittsöffnung (36) der Luftpassage in das Innere der Brennkammer (34) einleitbar ist und ein verbleibender Teil (80) des Brennstoffgas durch die Hauptaustrittsöffnung (38) der Brennstoffpassage in das Innere der Brennkammer einleitbar ist, und die Menge und die radiale Brennstoffverteilung des abgezweigten Teils (82) des Brennstoffstromes derart ist, dass die Rückkopplung der Wärmefreisetzungsschwankungen mit den Druckschwankungen in der Brennkammer reduziert ist.

Description

Beschreibung
Brenner für eine Gasturbine und Verfahren zur Reduzierung von thermoakustischen Schwingungen in einer Gasturbine
Die Erfindung betrifft einen Brenner für eine Gasturbine, der insbesondere zur Verbrennung von niederkalorischem Brennstoffgas ausgelegt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Ver¬ fahren zur Reduzierung von thermoakustischen Schwingungen in einer Gasturbine, wobei der Brenner zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
In einer Brennkammer kann es zu einer Wechselwirkung von akustischen Schwingungen (Druckschwankungen) und Schwankungen in der Wärmefreisetzung kommen, welche sich gegenseitig aufschaukeln können. Derartige thermoakustische Schwingungen, die insbesondere in der Brennkammer einer Gasturbine auftre¬ ten, können beim Betrieb der Gasturbine zu erheblichen Schäden an den Bauteilen führen und eine Abschaltung der Anlage erzwingen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Reduzierung von thermoakustischen Schwingungen in einer mindestens einen Brenner umfassenden Gasturbine, bei welchem zur Reduzierung der thermoakustischen Schwingungen ein Verzugszeitenprofil eines in einer ersten Brennstoffpassage des Brenners strömen¬ den BrennstoffStroms angepasst wird.
Der gattungsgemäße Brenner umfasst zur Bereitstellung eines in der Brennkammer der Gasturbine zu verbrennenden Brennstoffgases mindestens die oben genannte erste, mit Brenn¬ stoffgas beaufschlagbare Brennstoffpassage sowie zur Bereit¬ stellung der zur Verbrennung benötigten Luft eine mit
Verdichterluft beaufschlagbare Luftpassage. Die beiden Passa- gen weisen jeweils eine in die Brennkammer der Gasturbine mündende Hauptaustrittsöffnung auf. Die Brennstoffpassage kann als Vormischpassage oder Diffusionspassage ausgebildet sein. Hierzu ist die Brennstoffpassage an mindestens eine Zu- fuhr für das Brennstoffgas angeschlossen. Vorzugsweise ist die Brennstoffpassage zur Bereitstellung von Synthesegas aus¬ gebildet - insbesondere in der Form einer Ringraumpassage. Der Brenner kann weitere Passagen umfassen. Beispielsweise um mit dem Brenner eine Vielzahl an unterschiedlichen Brennstoffen zur Verbrennung in die Brennkammer einzuleiten. Die einzelnen Passagen können auch an mehrere Zuführsysteme angeschlossen sein, um je nach Betriebszustand des Brenners die Passagen mit unterschiedlichen Brennstoffen oder Spülfluiden zu beaufschlagen.
Damit derartige Brenner gefahrlos auch Betriebszustände ein¬ nehmen können, bei denen die Brennstoffzufuhr zur oben genannten Brennstoffpassage abgestellt ist (um eine andere Pas- sage mit einem anderen Brennstoff zu beaufschlagen) , ist es aus dem Stand der Technik bekannt, derartige Brenner mit Spülluftkanälen auszustatten, um einen Flammenrückschlag in die Brennstoffpassage hinein zu vermeiden. Bei den bekannten Brennern wird durch diese Spülluftkanäle bei abgestellter Brennstoffzufuhr Verdichterluft aus der Luftpassage in die
Brennstoffpassage eingeleitet. Über die Hauptaustrittsöffnung in die Passage eindringende Brennstoffgase werden bei diesen bekannten Brennern durch die Verdichterluft aus der Passage heraus gespült. Dies vermeidet einen Flammenrückschlag in den Brenner.
Die Erfindung bezieht sich auf einen gattungsgemäßen Brenner, der mindestens einen stromauf der Hauptaustrittsöffnungen angeordneten Verbindungskanal umfasst, der die Luftpassage und die Brennstoffpassage fluidisch miteinander verbindet.
Aus dem Stand der Technik sind Brenner bekannt, die zur Verbreiterung eines Verzugszeitenprofils eines in einer ersten Brennstoffpassage strömenden Brennstoffgasstroms eine Anzahl von Brennstoffdüsen umfasst, die in die erste Brennstoffpas¬ sage einmünden und in Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die Reduzierung von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer einer Gasturbine in einer alternativen Art und Weise ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Brenner der ein¬ gangs genannten Art dadurch gelöst, dass
der Brenner derart ausgebildet ist, dass in mindestens einem ersten Betriebszustand des Brenners bei beaufschlagter Luft¬ passage mit Verdichterluft und bei beaufschlagter Brennstoff¬ passage mit Brennstoffgas ein Teil des in der Brennstoffpas¬ sage strömenden Brennstoffgases über mindestens einen Verbin¬ dungskanal in die Luftpassage strömt. Der abgezweigte Teil des BrennstoffStromes ist zu seiner Verbrennung durch die Hauptaustrittsöffnung der Luftpassage in das Innere der
Brennkammer einleitbar. Ein in der Brennstoffpassage verbleibender Teil des Brennstoffgases ist durch die Hauptaustritts¬ öffnung der Brennstoffpassage in das Innere der Brennkammer einleitbar. Die Menge und die radiale Brennstoffverteilung des abgezweigten Teils des BrennstoffStromes ist derart, dass die Rückkopplung der Wärmefreisetzungsschwankungen mit den Druckschwankungen in der Brennkammer reduziert ist. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die radiale
Verteilung des Brennstoffs - insbesondere bei einem Synthese- gasluftgemisch - eine ausschlaggebende Rolle für die akusti¬ sche Stabilität des Brenners spielt. Der erfindungsgemäße Brenner ermöglicht eine bessere akustische Stabilität, so dass ein erweiterter Betriebsbereich des Brenners hinsichtlich Last und Brennstoffqualität ermöglicht ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Brenner kann die radiale Brennstoff- / Luftverteilung eines in einer Brennstoffpassage strömenden BrennstoffStromes angepasst werden, ohne dass grundlegende Aerodesignparameter der Brennstoffpassage wie Drallzahl, Druckverlust und Hauptabmessungen der Passage nennenswert geändert werden müssen. Die Erfindung ermöglicht auch, bei unterschiedlichen BrennstoffZusammensetzungen den Brenner an das thermoakustische Verhalten der Brennkammer anzupassen, ohne dass hierzu eine Anpassung der gesamten Brennstoffpassage erforderlich wäre.
Der erfindungsgemäße Brenner ist derart ausgebildet, dass in mindestens einem ersten Betriebszustand des Brenners bei beaufschlagter Luftpassage mit Verdichterluft und bei
beaufschlagter Brennstoffpassage mit Brennstoffgas der an den der Abzweigung des Brennstoffs dienenden Verbindungskanälen anliegende statische Druck von Seiten der Brennstoffpassage größer ist als von Seiten der Luftpassage.
Erfindungsgemäß ist der Brenner derart ausgebildet, dass der Brennstoffström, nachdem er bereits in der Brennstoffpassage strömt, aufgeteilt wird. Es findet somit erfindungsgemäß kei¬ ne Aufteilung im Bereich des Zufuhrsystems des Brennstoffs statt, sondern die Aufteilung/Abzweigung erfolgt nach dem Einbringen des Brennstoffs in die Brennstoffpassage, aber stromauf der Hauptaustrittsöffnung.
Erfindungsgemäß ist der Brenner derart ausgebildet, das durch die Aufteilung/Abzweigung des in der ersten Brennstoffpassage strömenden BrennstoffStromes die Rückkopplung der Wärmefrei- Setzungsschwankungen mit den Druckschwankungen in der Brennkammer reduziert ist.
Durch die Aufteilung und Abzweigung des in der ersten Brennstoffpassage strömenden BrennstoffStromes verändert sich die Flammenfront vor dem Brenner. Diese kann mittels der Menge und der radialen Verteilung des abgezweigten Teils des Brennstoffstromes derart eingestellt werden, dass die Rückkopplung der Wärmefreisetzungsschwankungen mit den Druckschwankungen in der Brennkammer reduziert ist. Um eine relevante Änderung der Flammenfront zu erreichen, erstreckt sich die radiale
Brennstoffverteilung des abgezweigten Teils des Brennstoffstromes im Wesentlichen über die Dicke einer zwischen den austretenden Strömen auftretenden Scherschicht hinaus in die Luftpassage hinein.
Die Erfindung bezieht sich somit nicht auf eine Manipulation der Dicke der Scherschicht zwischen dem aus der Luftpassage austretenden Verdichterluftstrom und dem aus der Hauptaustrittsöffnung der Brennstoffpassage austretenden Brennstoff¬ stromes. Vielmehr geht die Erfindung zur Reduzierung einer Rückkopplung der Wärmefreisetzungsschwankungen mit den Druck- Schwankungen in der Brennkammer einen anderen Weg, indem die Menge und die radiale Brennstoff erteilung eines abgezweigten Teils des in der Brennstoffpassage strömenden Brennstoffgases derart ist, dass durch eine Änderung der Flammenfront (die mit einer Änderung des Verzugszeitenprofils des Brennstoff- Stromes einhergeht) die Reduzierung einer Rückkopplung der Wärmefreisetzungsschwankungen mit den Druckschwankungen in der Brennkammer bewirkt ist.
Um die gewünschte Abzweigung des Teils des BrennstoffStromes zu realisieren, kann die Lage der Verbindungskanäle und ihr
Durchmesser entsprechend in den beiden Passagen gewählt sein. Die Erfindung geht allerdings bevorzugt davon aus, dass der Brenner zur Herstellung geeigneter Druckverhältnisse an den Verbindungskanälen Strömungsleitmittel in der Brennstoffpas- sage und/oder Einstellelement im Bereich der Verbindungkanäle umfasst, die den statischen Druck im Eingangsbereich der Verbindungskanäle geeignet festlegen. Die Strömungsleitmittel und/oder Einstellelemente können zur Anpassung der Aufteilung/Abzweigung des BrennstoffStromes beispielsweise in ihrer Lage oder Form verändert oder ausgetauscht werden. Dadurch ist die Lage der Verbindungskanäle in den Passagen in weiten Bereichen frei wählbar. Die Verbindungskanäle sind dabei stromab der in dem ersten Betriebszustand verwendeten Zulei¬ tungen von Luft bzw. Zuleitung des Brennstoffgases angeordnet und stromauf der beiden Hauptaustrittsöffnungen der beiden Passagen, damit Brennstoffgas in den Luftstrom abgezweigt werden kann. Die Hauptaustrittsöffnung kann beispielsweise als ringförmige Öffnung an der Austrittsmündung der Passage ausgebildet sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Hauptaus¬ trittsöffnung aus einer Vielzahl von Löchern in einem (die Austrittsmündung der Brennerpassage abdeckenden) Blech bestehen. Die Hauptaustrittsöffnung ist am brennkammerseitigen Ende der Passage angeordnet.
Die Verbindungskanäle sind entlang einer die Brennstoffpassa- ge begrenzenden Wand angeordnet, beispielsweise in einer um¬ laufenden Abfolge, so dass ihre Eintrittsöffnungen in einer umlaufenden Reihe in der Brennstoffpassage angeordnet sind und die Kanäle sich durch die Wand hindurch bis zur Luftpas¬ sage erstrecken. Bevorzugt können die Druckverhältnisse in dem Brenner derart ausgebildet sein, dass die Verbindungska¬ näle auch einem Flammenrückschlag in den Brenner bei abge¬ schalteter Versorgung der Brennstoffzufuhr in die erste
Brennstoffpassage entgegenwirken . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Brenner derart ausgebildet ist, dass das durch die Abzweigung bewirk¬ te gemeinsame Verzugszeitenprofil des verbleibenden Teil und des abgezweigten Teil des BrennstoffStromes an ein thermo- akustisches Verhalten der Brennkammer angepasst ist, so dass die Rückkopplung der Wärmefreisetzungsschwankungen mit den Druckschwankungen in der Brennkammer reduziert ist.
Durch die Aufteilung und Abzweigung des in der ersten Brennstoffpassage strömenden BrennstoffStromes verändert sich die Flammenfront vor dem Brenner. Es kann sich somit ein geändertes gemeinsames Verzugszeitenprofil des abgezweigten und des verbleibenden Teils des BrennstoffStromes einstellen. Dabei ist die Verzugszeit die Zeitspanne, die der Brennstoff vom Austritt aus dem Brenner bis zur Flammenfront benötigt. Da der Brennstoff im Brennstoffström unterschiedliche Verzugs¬ zeiten aufweist (je nach Austrittsort am Brennerausgang und je nach Lage der Flamme vor dem Austrittsort) , stellt sich im jeweiligen Betriebszustand ein Verzugszeitenprofil des Brenn¬ stoffStromes ein. Eine unerwünschte Rückkopplung von Wärme¬ freisetzungsschwankungen und Druckschwankungen in der Brennkammer kann mittels der Aufteilung und Abzweigung des Brennstoffstromes reduziert werden, da je nach Menge und radialem Brennstoffprofil des abgezweigten Teils des BrennstoffStromes sich das gemeinsame Verzugszeitenprofil ändern kann. Wird beispielsweise der Anteil des Profils reduziert, dessen Ver¬ zugszeit im Wesentlichen der Frequenz einer Vorzugs- Brennkammerdruckschwankung entspricht, reduziert dies eine Rückkopplung von Wärmefreisetzungsschwankungen und Druckschwankungen in der Brennkammer.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Brenners ist somit der¬ art, dass mindestens im ersten Betriebszustand ein für das thermoakustische Verhalten der Brennkammer dämpfend bzw.
nicht aufschaukelnd wirkendes Verzugszeitenprofil des Brenn¬ stoffstromes bewirkt ist.
Mit thermoakustischem Schwingungsverhalten ist gemeint, dass Gasturbinenbrennkammern abhängig vom Leistungsbereich bevorzugt bei bestimmten Frequenzen/Frequenzbändern zum Aufschaukeln thermoakustischer Schwingungen neigen (charakteristisches Brummverhalten) . Diese Frequenzen seien auch mit Vor- zugs-Brennkammerdruckschwankungen bezeichnet. Wird das Ver- zugszeitenprofil eines Brenners entsprechend eingestellt - insbesondere verbreitert - kann dies einem Aufschaukeln der Schwingungen im Bereich mindestens einer derartigen charakteristischen Brummfrequenz/Frequenzband entgegenwirken. In die¬ sem Sinne lässt sich das Verzugszeitenprofil an das thermo- akustische Verhalten der Brennkammer anpassen bzw. darauf abstimmen und einem Aufschaukeln von thermoakustischen Schwingungen in der Brennkammer entgegengewirken . Das Verzugszeitenprofil lässt sich beispielsweise mittels des Anteils und/oder der Eindringtiefe (radiales Profil) und/oder der Aufteilung des abgezweigten BrennstoffStromes auf die einzel¬ nen Verbindungskanäle beeinflussen. Der Brenner umfasst be¬ züglich der ersten Brennstoffpassage eine entsprechend ausge- bildete Abzweigung, die mindestens im ersten Betriebszustand ein für das thermoakustische Verhalten der Brennkammer dämpfend wirkendes Verzugszeitenprofil des BrennstoffStromes be¬ wirkt . Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die erste Brennstoffpassage mindestens für eine Beauf¬ schlagung mit niederkalorischem Brennstoffgas ausgelegt ist.
Unter einem niederkalorischen Brennstoff ist - im Unterschied zu einem Standardbrennstoff - insbesondere ein Brennstoff mit einem Heizwert von unterhalb von 20 MJ/kg, vorzugsweise un¬ terhalb von 10 MJ/kg, zu verstehen. Dies könnte beispiels¬ weise ein sehr niederkalorisches Erdgas sein oder ein so ge¬ nanntes Synthesegas. Synthesegas weist üblicherweise Hauptan- teile von CO, H2 und ggf. Nebenanteile wie N2 und Co2 sowie Wasserdampf auf. Standardbrennstoff ist üblicherweise ein normal- und/oder hochkalorischer Brennstoff, dessen Heizwert weit oberhalb von 30 MJ/kg liegt. Normales Erdgas hat bei¬ spielsweise einen Heizwert in der Regel zwischen 40 bis 50 MJ/kg. Der brennbare Bestandteil von Standardbrennstoffen für Gasturbinen besteht im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen. Hingegen sind die brennbaren Bestandteile des Synthesegases im wesentlichen CO und H2. Bedingt durch den kleinen Heizwert müssen demzufolge hohe Volumenströme an Brenngas durch den Brenner der Brennkammer zugeführt werden. Dies hat zur Folge, dass für die Verbrennung von niederkalorischen Brennstoffen - wie z.B. Synthesegas - eine oder mehrere gesonderte Brenn¬ stoffpassagen zur Verfügung gestellt werden müssen. Wegen der im Vergleich zu konventionellen Brennstoffen wie Erdgas und Öl hohen Reaktivität von Synthesegasen besteht ein deutlich höheres Risiko bezüglich Flammenrückschlag. Die vorliegende Erfindung lässt sich in besonders vorteilhaf¬ ter Weise auf diese Brennstoffpassage für niederkalorische Brennstoffe anwenden. Die Brennstoffpassage kann für einen Diffusionsbetrieb oder für einen Vormischbetrieb zur Einleitung des niederkalorischen Brennstoffgas in die Brennkammer ausgebildet sein. Im Vormischbetrieb wird das niederkalorische Brennstoffgas - bei dem es sich insbesondere um Synthesegas handeln kann - mit Luft zu einem niederkalorischen Brennstoff-Luft-Gemisch vorgemischt und eine Umsetzung des niederkalorischen Brennstoff- Luft-Gemisches in der Brennstoffpassage vermieden, so dass das Brennstoff-Luft-Gemisch erst in der Brennkammer zu einem Heißgas umgesetzt wird. Die Erfindung geht bevorzugt von ei- ner Synthesegaspassage für einen Diffusionsbetrieb aus, in der mittels Drallerzeuger durch Schaufeln dem Brennstoffström ein Drall aufgeprägt wird. Die Synthesegaspassage ist bevor¬ zugt als Ringraumpassage ausgebildet und kann stromab konisch zulaufend ausgebildet sein.
Bevorzugt kann der Brenner im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Längsachse angeordnet sein, so dass eine Haupt¬ strömungsrichtung der in den Passagen des Brenners strömenden Fluids im Wesentlichen in Richtung der Längsachse weist (ins- besondere in den radial näher zur Längsachse angeordneten Passagen) oder zumindest eine Komponente in Richtung der Längsachse aufweist (insbesondere in den radial weiter außen liegenden Passagen, die stromauf zunächst im Wesentlichen diagonal zur Längsachse verlaufen können und stromab sich einem parallelen Verlauf der Längsachse annähern) . Die Luftpassage und die Brennstoffpassage können zumindest abschnittweise ko¬ axial zueinander angeordnet sein, insbesondere die Luftpassa¬ ge koaxial um die Brennstoffpassage . Es kann auch vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Hauptaus¬ trittsöffnungen der Luftpassage und der Brennstoffpassage derart angeordnet sind, dass die koaxial umgebende Passage in Bezug auf eine senkrecht zur Längsachse verlaufende Projekti- onsebene um die andere Hauptaustrittsöffnung herum angeordnet ist .
Dies erzeugt koaxial zueinander angeordnete Flammen aus einem gemeinsamen Brennstoffström mit angepasstem Verzugszeitenprofil.
Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn die Luftpas¬ sage und die Brennstoffpassage zumindest abschnittsweise ent- lang einer im Wesentlichen zylinder- und/oder kegelstumpfman- telförmigen Wand aneinander angrenzen, wobei die Verbindungskanäle als Löcher in der Wand ausgebildet sind.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann mindes- tens ein Einstellelement im Bereich der Verbindungskanäle an¬ geordnet sein, so dass der Anteil und/oder das radiale
Einströmprofil und/oder die Aufteilung auf die Verbindungska¬ näle des aus der Brennstoffpassage in die Luftpassage abge¬ zweigten Brennstoffgases mittels des mindestens einen Ein- Stellelements eingestellt und/oder einstellbar ist.
Das Einstellelement kann den statischen Druck im Bereich der Eintrittsöffnung mindestens eines Verbindungskanals beein¬ flussen, so dass eine geeignete Lage der Eintrittsöffnung nicht ausschließlich durch die sich im ersten Betriebszustand in der Brennstoffpassage einstellenden Druckverhältnisse festgelegt ist. Zudem kann das Einstellelement leichter an ein gewünschtes Verzugszeitenprofil angepasst werden (bei¬ spielsweise durch Austausch oder Veränderung seiner Form) als die Lage oder Größe des mindestens einen Verbindungskanals.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Einstellelements ist stromab mindestens einer brennstoffpassagensei- tigen Eintrittsöffnung eines Verbindungskanals ein Strömungs- leitmittel in der Brennstoffgaspassage angeordnet, welches bei einer Beaufschlagung der Brennstoffpassage mit Brennstoffgas den statischen Druck im Bereich der Eintrittsöffnungen des Verbindungskanals erhöht. Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass das Strö¬ mungsleitmittel ein im Wesentlichen ringförmig ausgebildetes Blech umfasst, wobei das Blech umlaufend an einer Innenseite einer die Brennstoffpassage begrenzenden Wand angeordnet ist. (Der Begriff „Blech" bezieht sich auf die Form, ist aber hinsichtlich der Materialwahl im Rahmen dieser Erfindung nicht einschränkend zu verstehen) . Diese Ausgestaltung des Strömungsleitmittels weist einen be¬ sonders einfachen Aufbau und damit geringe Herstellungskosten auf .
Um eine besonders starke Erhöhung des Drucks zu erreichen, kann sich das Blech entgegen einer Hauptströmungsrichtung in der Brennstoffpassage geneigt in das Innere der Brennstoff¬ passage hinein erstrecken. Beispielsweise kann es zumindest einen Teilbereich der Eintrittsöffnungen der Verbindungskanäle überragen.
Um den Strömungsverlauf zwischen den Eintrittsöffnungen der Verbindungskanäle möglichst wenig zu beeinflussen, kann das im Wesentlichen ringförmig ausgebildete Blech zwischen den stromab der Eintrittsöffnungen der Verbindungskanäle gelege- nen Bereichen jeweils eine Ausnehmung aufweisen, so dass das Blech beispielsweise stromab der Eintrittsöffnungen eine dreieckig oder trapezförmige Zinne umfasst.
Es kann beispielsweise bevorzugt vorgesehen sein, dass das Einstellelement eine Anzahl von Strömungsleitmitteln umfasst, die als dreieckige oder trapezförmige Bleche ausgebildet sind. Die dreieckigen Bleche können an der Innenseite der Brennstoffpassage analog dem oben genannten im Wesentlichen ringförmgien Blech angeordnet sein. Die Einzelbleche haben allerding den Vorteil, dass stromab der Bereiche zwischen den Eintrittsöffnungen keine unvorteilhaft den Druckverlust erhö¬ henden Bereiche eines Strömungsleitmittels angeordnet sind. Eine alternative, vorteilhafte Ausgestaltung des Strömungs¬ leitmittels kann mindestens ein kappenförmiges Element mit einer Eingangsöffnung umfassen, welches mit der Eingangsöffnung in Richtung der Eintrittsöffnung eines Verbindungskanals weisend stromab der Eintrittsöffnung an einer Innenseite ei¬ ner die Brennstoffpassage begrenzenden Wand angeordnet ist.
Vorteilhafterweise kann das kappenförmige Element im Wesent¬ lichen die Form einer Viertel-Hohlkugel aufweisen. Diese kann die Eintrittsöffnung zumindest teilweise überragen.
Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass
mindestens ein Einstellelement rohrförmig ausgebildet ist, wobei das rohrförmige Einstellelement insbesondere zumindest teilweise in jeweils einem der Verbindungskanäle angeordnet ist .
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Ausbildung der Erfindung können die mindestens einen rohrförmigen Einstellele- mente in jeweils einen Verbindungskanal teilweise eingesetzt sein und in die Luftpassage hineinragen, so dass die radiale Lage der Einmündung der durch den jeweiligen Verbindungskanal strömende, abgezweigte Teilstrom zielgenau positioniert wer¬ den kann. Wie weit das rohrförmige Einstellelement in die Luftpassage hineinragt, kann je nach gewünschtem radialem
Einströmprofil auch von rohrförmigem Einstellelement zu rohr- förmigem Einstellelement unterschiedlich gewählt sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Ausbildung der Erfindung kann das mindestens eine rohrförmige Einstellelement beispielsweise vollständig in jeweils einem Verbindungskanal angeordnet sein. Beispielsweise können zum Einstellen des ra¬ dialen Einströmprofils des abgezweigten BrennstoffStromes die Wandstärken des mindestens einen rohrförmigen Einstellelements entsprechend gewählt sein. Gemäß einem weiteren Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung kann das mindestens eine rohrför¬ mige Einstellelement in Verlängerung eines Verbindungskanals auf der Innenseite der Luftpassage befestigt sein. Gemäß ei¬ nem weiteren Ausführungsbeispiel kann das mindestens eine rohrförmige Einstellelement zusätzlich oder alternativ zu den erwähnten Ausführungsbeispielen in die Brennstoffpassage hineinragen und beispielsweise an seinem in die Brennstoffpassa¬ ge hineinragenden Ende eine Einlaufschale umfassen. Die Ein- laufschale kann beispielsweise analog der dreieckförmigen Bleche oder der Viertel-Holhkugel ausgebildet sein. Die ge¬ nannten Ausführungsbeispiele für das rohrförmige Einstellele¬ ment können beispielsweise miteinander kombiniert werden oder einzeln zur Anwendung kommen. Sofern mehrere derartige rohr- förmige Einstellelemente vorgesehen sind, können diese je nach gewünschtem radialen Einströmprofil des abgezweigten BrennstoffStromes alle gleich ausgebildet sein oder sich von¬ einander, beispielsweise entsprechend der genannten Ausführungsbeispiele und ihrer Kombinationen, unterscheiden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die Reduzierung von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer einer Gasturbine in einer alternativen Art und Weise ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der ein¬ gangs genannten Art dadurch gelöst, dass zum Anpassen des Verzugszeitenprofils eines in einer ersten Brennstoffpassage strömenden BrennstoffStromes ein verbleibender Teil des
BrennstoffStromes durch mindestens eine Hauptaustrittsöffnung der ersten Passage in die Brennkammer eingeleitet wird und ein abgezweigter Teil des BrennstoffStromes stromab seiner Einleitung in die Brennstoffpassage und stromauf der Haupt- austrittsöffnung über mindestens einen Verbindungskanal in mindestens eine zweite Passage eingeleitet wird, wobei der abgezweigte Teil des BrennstoffStromes separat vom verblei¬ benden Brennstoffström in die Brennkammer eingeleitet wird, so dass die Teilströme nach ihrem Austreten aus dem Brenner mit unterschiedlichen Verzugszeiten bzw. Verzugszeitenprofilen in der Brennkammer verbrannt werden, wobei zum Anpassen des Verzugszeitenprofils der Anteil des abgezweigten Teil¬ stromes und/oder dessen Einströmprofil und/oder dessen Auf- teilung auf den mindestens einen Verbindungskanal derart ein¬ gestellt wird, dass die Rückkopplung der Wärmefreisetzungs¬ schwankungen mit den Druckschwankungen in der Brennkammer reduziert ist.
Bezüglich der Ausgestaltungsmöglichkeiten und Vorteile des Verfahrens wird auf die obigen Ausführungen zum erfindungsge¬ mäßen Brenner verwiesen. Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass der verbleibende Brennstoffström und der abgezweigte Teil des Brenn¬ stoffstromes im Wesentlichen koaxial zueinander in die Brennkammer eingeleitet werden. Zum Anpassen des thermoakustischen Verhaltens der den Brenner umfassenden Brennkammer kann der Anteil und/oder das
Einströmprofil und/oder dessen Aufteilung auf den mindestens einen Verbindungskanal des abgezweigten Teils des Brennstoff¬ stromes vor Inbetriebnahme des Brenners und/oder während des Betriebs des Brenners eingestellt werden.
Vorteilhafterweise erfolgt das Einstellen des Anteils
und/oder der Eindringtiefe und/oder der Aufteilung auf den mindestens einen Verbindungskanal durch Anpassen mindestens eines in der Brennstoffpassage angeordneten Strömungsleitmit¬ tels und/oder eines im Bereich der Verbindungskanäle angeord¬ neten Einstellelementes.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Anpassen des mindestens einen Strömungsleitmittels und/oder Einstellelementes durch Austauschen und/oder Anpassen von dessen Form und/oder Lage erfolgen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer mit mindestens einem Brenner und eine Gasturbine mit mindes¬ tens einer derartigen Brennkammer anzugeben, mit welcher die Unterdrückung von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer einer Gasturbine in einer alternativen Art und Weise ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgebildet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Gasturbine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Brennkammer nach Anspruch 16 ausgebildet ist.
Weiter zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen.
Dabei zeigt die
Fig.l schematisch einen Längsschnitt durch eine Gasturbi- ne nach dem Stand der Technik, und
Fig.2 schematisch einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig.3 schematisch einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und Fig.4 schematisch einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel .
Die Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Gas- turbine 1 nach dem Stand der Technik. Die Gasturbine 1 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 2 drehgelagerten Rotor 3 mit einer Welle 4 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 3 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 6, ein Verdichter 8, ein Verbrennungssystem 9 mit einer Anzahl an Brennkammern 10, eine Turbine 14 und ein Abgasgehäuse 15. Die Brennkammern 10 umfassen jeweils eine Brenneranordnung 11 und ein Gehäuse 12, welches zum Schutz vor Heißgasen mit einem Hitzeschild 20 ausgekleidet ist.
Das Verbrennungssystem 9 kommuniziert mit einem beispielswei¬ se ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hinterei¬ nander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 14. Jede Turbi- nenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißkanal einer aus Leitschaufeln 17 gebildeten Reihe eine aus Laufschaufeln 18 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 17 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators 19 befestigt, wohingegen die Lauf- schaufeln 18 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbi¬ nenscheibe am Rotor 3 angebracht sind. An dem Rotor 3 ange¬ koppelt ist beispielsweise ein Generator (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 8 durch das Ansauggehäuse 6 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 8 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu dem Verbrennungssystem 9 geführt und dort im Bereich der Brenneranordnung 11 mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann mit Hilfe der Brenneranord- nung 11 unter Bildung eines Arbeitsgasstromes im Verbrennungssystem 9 verbrannt. Von dort strömt der Arbeitsgasstrom entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 17 und den Laufschaufeln 18 vorbei. An den Laufschaufeln 18 entspannt sich der Arbeitsgasstrom impulsübertragend, so dass die Lauf- schaufeln 18 den Rotor 3 antreiben und dieser den an ihn angekoppelten Generator (nicht dargestellt) .
Die Figur 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt einen erfindungsgemäßen Brenners 24 für eine Gasturbine gemäß einem ers- ten Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt.
Der Brenner 24 umfasst eine mit Verdichterluft
beaufschlagbare, als Ringkanal ausgebildete Luftpassage 26, eine für die Beaufschlagung mit Synthesegas ausgebildete Brennstoffpassage 28 sowie eine sekundäre Zuführeinheit 30, die einen Pilotbrenner (nicht explizit dargestellt) und wei¬ tere Passagen (nicht explizit dargestellt) zum Einbringen ei- nes Fluids umfassen kann. Der Brenner weist einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Aufbau um eine Längsachse 32 auf. Hierbei umfasst die Luftpassage 26 koaxial die für Syn¬ thesegas ausgelegte Brennstoffpassage 28, die wiederum koaxi¬ al die sekundäre Zuführeinheit 30 umgibt. Sowohl die sekundä- re Zuführeinheit 30 als auch die beiden Passagen 26 und 28 weisen jeweils eine in die Brennkammer 34 mündende Hauptaus¬ trittöffnung 36, 38, 40 auf.
Die Hauptaustrittsöffnungen 36 ist hierbei in Bezug auf die senkrecht zur Längsachse 32 verlaufende Projektionsebene 50 um die Hauptaustrittsöffnung 38 herum angeordnet.
In die Luftpassage 26 eintretende Verdichterluft, dessen Hauptströmungsrichtung im Eintrittsbereich mit einem Pfeil Lx x verdeutlicht ist, wird durch einen in der Luftpassage an¬ geordneten Drallerzeuger 42 (Swirler) ein Drall aufgeprägt. Die Schaufeln des Drallerzeugers erstrecken sich von einer die Passage begrenzenden inneren Wand 44 bis zu einer die Passage begrenzenden äußeren Wand 46, wobei die Schaufeln ringförmig über den Umfang der Wand angeordnet sind. Der
Luftstrom tritt durch die Hauptaustrittsöffnung 36 aus der Luftpassage 26 aus. Zum Einbringen von Synthesegas in die Brennkammer 34 wird der Brennstoffpassage 28 ein Synthesegas¬ strom 48 (der auch vor dem Eintritt in den dargestellten Ab- schnitt der Brennstoffpassage 28 mit Verdichterluft vorge¬ mischt werden kann) über ein Zuführleitungssystem zugeführt. Das Zuführleitungssystem ist in der Figur nicht dargestellt, da es sich außerhalb des dargestellten Ausschnitts befindet. Zum Verdrallen des Synthesegasstroms 48 sind ebenfalls Schau- fein 52 eines Drallerzeugers in der Brennstoffpassage 28 an¬ geordnet. Stromab der Schaufeln 52 sind die Brennstoffpassage 28 und die Luftpassage 26 über Verbindungskanäle 54 fluidisch miteinander verbunden. Die Verbindungskanäle 54 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Bereich angeord¬ net, in welchem die Luftpassage 26 und die Brennstoffpassage 28 entlang einer im Wesentlichen zylindermantelförmigen Wand 56 aneinander angrenzen, wobei die Verbindungskanäle 54 als Löcher in der zylindermantelförmigen Wand 54 ausgebildet sind .
Der Brenner 24 ist derart ausgebildet, dass in mindestens ei¬ nem ersten Betriebszustand des Brenners bei beaufschlagter Luftpassage 26 mit Verdichterluft und bei beaufschlagter
Brennstoffpassage 28 mit Brennstoffgas ein Teil des in der Brennstoffpassage strömenden Brennstoffgases über die Verbin¬ dungskanäle 54 in die Luftpassage 26 strömt und zu seiner Verbrennung durch die Hauptaustrittsöffnung 36 der Luftpassa- ge in das Innere der Brennkammer 34 einleitbar ist.
Die Ausgestaltung der Abzweigung ist derart, dass das gemeinsame Verzugszeitenprofil des BrennstoffStromes ein Aufschau¬ keln von thermoakustischen Schwingungen, die bei der jeweili- gen Brennkammer 34 der Gasturbine in Abhängigkeit vom Leis¬ tungsbereich bei charakteristischen Frequenzbänder auftreten, zumindest in einem Frequenzband verhindert oder reduziert wird. Somit ist eine Rückkopplung von Wärmefreisetzungs¬ schwankungen und Druckschwankungen in der Brennkammer redu- ziert.
Das Verzugszeitenprofil ist mittels eines Einstellelements 60 an das thermoakustische Verhalten der Brennkammer 34 ange- passt. Das Einstellelement 60 besteht bei dem ersten Ausfüh- rungsbeispiel aus einem Strömungsleitmittel 62, das stromab der brennstoffpassagenseitigen Eintrittsöffnungen 64 der Verbindungskanäle 54 in der Brennstoffpassage 28 angeordnet ist und bei einer Beaufschlagung der Brennstoffpassage 28 mit Brennstoffgas den statischen Druck im Bereich der Eintritts- Öffnungen 64 der Verbindungskanäle 54 erhöht. Das Strömungs¬ leitmittel 62 hat die Form eines im Wesentlichen ringförmig ausgebildeten Blechs 66. Dieses ist umlaufend an der Innen¬ seite 68 der die Brennstoffpassage 28 begrenzenden Wand 56 angeordnet und erstreckt sich entgegen einer Hauptströmungs¬ richtung 70 in der Brennstoffpassage 28 geneigt in das Innere der Brennstoffpassage hinein. Das Blech 66 ragt hierbei unter Einhaltung eines Abstandes über zumindest einen Teilbereich der Eintrittsöffnungen 64. Je nach Nähe, Höhe und Anstellwinkel und Form des Blechs 66 lässt sich der Anteil und/oder das radiale Einströmprofil und/oder die Aufteilung auf die ein¬ zelnen Verbindungskanäle des aus der Brennstoffpassage 28 in die Luftpassage 26 abgezweigten Brennstoffgases mittels des mindestens einen Einstellelements 60 einstellen.
Eine nachteilige Erhöhung des Druckverlustes in der Passage aufgrund des Strömungsleitmittels lässt sich beispielsweise durch Ausnehmungen (nicht dargestellt) in dem Blech 66 vor- teilhaft verringern, die jeweils zwischen den stromab der
Eintrittsöffnungen der Verbindungskanäle gelegenen Bereichen angeordnet sind.
Zur Verhinderung einer nachteiligen Erhöhung des Druckverlus- tes ist eine Segmentierung des Blechs noch vorteilhafter. Das Einstellelement 60 kann aus einer Anzahl von Blechen beste¬ hen, die jeweils stromab der Eintrittsöffnungen 64 angeordnet sind. Diese können beispielsweise, wie in Figur 3 darge¬ stellt, die Form von dreieckigen Blechen 74 aufweisen, die über die Eintrittsöffnungen gebogen sind. Der Übersicht halber ist in der Figur 3 nur ein einzelnes derartiges Blech 74 dargestellt .
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in Figur 4 dar- gestellt ist, kann das Einstellelement 60 aus einer Reihe von kappenförmigen Elementen 84 bestehen, die jeweils eine Eingangsöffnung 86 umfassen und mit dieser in Richtung der Eintrittsöffnung 64 eines Verbindungskanals 54 weisend stromab der Eintrittsöffnung 64 an einer Innenseite 68 einer die Brennstoffpassage 28 begrenzenden Wand 56 angeordnet sind und vorzugsweise die Eintrittsöffnung 64 zumindest teilweise überragen. Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das kappenförmige Element 84 im Wesentlichen die Form einer Viertel-Hohlkugel auf. In der Figur 4 ist ebenfalls der Übersicht halber nur eine derartige Viertel- Hohlkugel dargestellt. Die in den Figuren 2 bis 4 dargestellten erfindungsgemäßen
Brenner 24 eignen sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit Bezug auf Figur 3, zum Anpassen des Verzugs¬ zeitenprofils eines in einer Brennstoffpassage 28 strömenden Brennstoffgasstroms 78 wird ein verbleibender Teil 80 des BrennstoffStromes durch mindestens eine Hauptaustrittsöffnung 38 der Brennstoffpassage 28 in die Brennkammer 34 eingelei¬ tet. Ein abgezweigter Teil 82 des BrennstoffStromes wird, stromab seiner Einleitung in die Brennstoffpassage und strom¬ auf der Hauptaustrittsöffnungen 36 und 38, über die Verbin- dungskanäle 54 in die Luftpassage 26 eingeleitet. Der abge¬ zweigte Teil 82 des BrennstoffStromes wird separat vom ver¬ bleibenden Brennstoffström 80 in die Brennkammer 34 eingeleitet, so dass die Teilströme nach ihrem Austreten aus dem Brenner 24 mit unterschiedlichen Verzugszeiten bzw. Verzugs- zeitenprofilen in der Brennkammer 34 verbrannt werden, wobei der Brenner 24 derart ausgebildet ist, dass das gemeinsame Verzugszeitenprofil von den Brennstoffströmen 82 und 80 über den Anteil des abgezweigten Teilstromes 82 und/oder dessen Einströmprofil und/oder dessen Aufteilung auf den mindestens einen Verbindungskanal 54 auf ein thermoakustisches Verhalten der Brennkammer 34 abgestimmt ist, so dass eine Rückkopplung von Wärmefreisetzungsschwankungen und Druckschwankungen in der Brennkammer reduziert ist.

Claims

Patentansprüche
1. Brenner (24) für eine Gasturbine (1), mit mindestens einer mit Verdichterluft beaufschlagbaren Luftpassage (26) und min- destens einer mit mindestens einem Brennstoffgas
beaufschlagbaren Brennstoffpassage (28), wobei die beiden Passagen (26, 28) jeweils eine in die Brennkammer (34) der Gasturbine (1) mündende Hauptaustrittöffnung (36, 38) aufwei¬ sen, wobei die Luftpassage (26) und die Brennstoffpassage (28) über mindestens einen stromauf der Hauptaustrittsöffnungen (36, 38) angeordneten Verbindungskanal (54) fluidisch miteinander verbunden ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Brenner (24) derart ausgebildet ist, dass in mindestens einem ersten Betriebszustand des Brenners bei beaufschlagter Luftpassage (26) mit Verdichterluft und bei beaufschlagter Brennstoffpassage (28) mit Brennstoffgas ein Teil (82) des in der Brennstoffpassage strömenden Brennstoffgases über mindes¬ tens einen Verbindungskanal (54) in die Luftpassage (26) strömt und zu seiner Verbrennung durch die Hauptaustrittsöff¬ nung (36) der Luftpassage in das Innere der Brennkammer (34) einleitbar ist und ein verbleibender Teil (80) des Brennstoffgases durch die Hauptaustrittsöffnung (38) der Brennstoffpassage in das Innere der Brennkammer einleitbar ist, und die Menge und die radiale Brennstoffverteilung des abge¬ zweigten Teils (82) des BrennstoffStromes derart ist, dass die Rückkopplung der Wärmefreisetzungsschwankungen mit den Druckschwankungen in der Brennkammer reduziert ist.
2. Brenner (24) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Brenner (24) derart ausgebildet ist, dass das durch die Abzweigung bewirkte gemeinsame Verzugszeitenprofil des ver¬ bleibenden Teil (80) und des abgezweigten Teil (82) des
BrennstoffStromes an ein thermoakustisches Verhalten der
Brennkammer (34) angepasst ist, so dass die Rückkopplung der Wärmefreisetzungsschwankungen mit den Druckschwankungen in der Brennkammer reduziert ist.
3. Brenner (24) nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Brennstoffpassage (28) mindestens für eine Beaufschlagung mit niederkalorischem Brennstoffgas ausgelegt ist.
4. Brenner (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Brenner (24) im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Längsachse (32) angeordnet ist, so dass eine Hauptströmungs- richtung der in den Passagen (26, 28) des Brenners strömenden Fluids in Richtung der Längsachse weist oder zumindest eine Komponente in Richtung der Längsachse (32) aufweist, und die Luftpassage (26) und die Brennstoffpassage (28) zumindest ab¬ schnittweise koaxial zueinander angeordnet sind.
5. Brenner (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, da s s
die Hauptaustrittsöffnungen (36, 38) der Luftpassage und der Brennstoffpassage derart angeordnet sind, dass die koaxial umgebende Passage (26) in Bezug auf eine senkrecht zur Längs¬ achse verlaufende Projektionsebene (50) um die andere Haupt¬ austrittsöffnung (38) herum angeordnet ist.
6. Brenner (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Luftpassage (26) und die Brennstoffpassage (28) zumindest abschnittsweise entlang einer im Wesentlichen zylindermantel- förmigen und/oder kegelstumpfmantelförmigen Wand (56) aneinander angrenzen, wobei die Verbindungskanäle (54) als Löcher in der Wand (56) ausgebildet sind.
7. Brenner (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s mindestens ein Einstellelement (60) im Bereich der Verbin- dungskanäle (54) angeordnet ist, so dass der Anteil und/oder das radiale Einströmprofil und/oder die Aufteilung auf die Verbindungskanäle (54) des aus der Brennstoffpassage (28) in die Luftpassage (26) abgezweigten Brennstoffgases mittels des mindestens einen Einstellelements (60) eingestellt und/oder einstellbar ist.
8. Brenner (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s stromab mindestens einer brennstoffpassagenseitigen Eintrittsöffnung (64) eines Verbindungskanals (54) ein Strö¬ mungsleitmittel (62) in der Brennstoffgaspassage angeordnet ist, welches bei einer Beaufschlagung der Brennstoffpassage mit Brennstoffgas den statischen Druck im Bereich der Eintrittsöffnungen (64) des Verbindungskanals (54) erhöht.
9. Brenner (24) nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Strömungsleitmittel (62) ein im Wesentlichen ringförmig ausgebildetes Blech (66) umfasst, wobei das Blech (66) umlau¬ fend an einer Innenseite (68) einer die Brennstoffpassage be¬ grenzenden Wand (56) angeordnet ist.
10. Brenner (24) nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s sich das Blech (66) entgegen einer Hauptströmungsrichtung (70) in der Brennstoffpassage (28) geneigt in das Innere der Brennstoffpassage (28) hinein erstreckt.
11. Brenner (24) nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Blech (66) zwischen den stromab der Eintrittsöffnungen (64) der Verbindungskanäle (54) gelegenen Bereichen jeweils eine Ausnehmung aufweist.
12. Brenner (24) nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Einstellelement (60) eine Anzahl von Strömungsleitmitteln (62) umfasst, die als dreieckige oder trapezförmige Bleche (74) ausgebildet sind.
13. Brenner nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Strömungsleitmittel (62) mindestens ein kappenförmiges Element (84) mit einer Eingangsöffnung (86) umfasst, welches mit der Eingangsöffnung in Richtung der Eintrittsöffnung (64) eines Verbindungskanals (54) weisend stromab der Eintritts¬ öffnung (64) an einer Innenseite (68) einer die Brennstoff¬ passage begrenzenden Wand (56) angeordnet ist.
14. Brenner nach Anspruch 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das kappenförmige Element (84) im Wesentlichen die Form einer Viertel-Hohlkugel aufweist.
15. Brenner nach einem der Ansprüche 7 bis 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s mindestens ein Einstellelement (60) rohrförmig ausgebildet ist, wobei das rohrförmige Einstellelement insbesondere zu¬ mindest teilweise in jeweils einem der Verbindungskanäle an¬ geordnet ist.
16. Brennkammer mit mindestens einem Brenner,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Brenner (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausgebildet ist.
17. Gasturbine mit mindestens einer Brennkammer,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Brennkammer (34) nach Anspruch 16 ausgebildet ist.
18. Verfahren zur Reduzierung von thermoakustischen Schwingungen in einer mindestens einen Brenner (24) umfassenden Gasturbine (1), bei welchem zur Reduzierung der thermoakusti¬ schen Schwingungen ein Verzugszeitenprofil eines in einer ersten Brennstoffpassage (28) des Brenners strömenden Brenn- Stoffstroms (48, 78) an ein thermoakustisches Verhalten der Brennkammer angepasst wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s zum Anpassen des Verzugszeitenprofils ein verbleibender Teil (80) des BrennstoffStromes durch mindestens eine Hauptaus¬ trittsöffnung (38) der ersten Passage (28) in die Brennkammer (34) eingeleitet wird und ein abgezweigter Teil (82) des BrennstoffStromes stromab seiner Einleitung in die Brenn¬ stoffpassage (28) und stromauf der Hauptaustrittsöffnung (38) über mindestens einen von der ersten Passage (28) abzweigenden Verbindungskanal (54) in mindestens eine zweite Passage (26) eingeleitet wird, wobei der abgezweigte Teil (82) des BrennstoffStromes separat vom verbleibenden Brennstoffström (80) in die Brennkammer eingeleitet wird, so dass die Teil¬ ströme nach ihrem Austreten aus dem Brenner mit unterschiedlichen Verzugszeiten bzw. Verzugszeitenprofilen in der Brennkammer (34) verbrannt werden, wobei zum Anpassen des Verzugs- zeitenprofils der Anteil des abgezweigten Teilstromes
und/oder dessen Einströmprofil und/oder dessen Aufteilung auf den mindestens einen Verbindungskanal (54) derart eingestellt wird, dass die Rückkopplung der Wärmefreisetzungsschwankungen mit den Druckschwankungen in der Brennkammer reduziert ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der verbleibende Brennstoffström (80) und der abgezweigte Teil (82) des BrennstoffStromes im Wesentlichen koaxial zuei- nander in die Brennkammer eingeleitet werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Anteil und/oder das Einströmprofil und/oder dessen Auf- teilung auf den mindestens einen Verbindungskanal (54) des abgezweigten Teils (82) des BrennstoffStromes vor Inbetrieb¬ nahme des Brenners und/oder während des Betriebs des Brenners eingestellt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Einstellen des Anteils und/oder der Eindringtiefe
und/oder der Aufteilung auf den mindestens einen Verbindungs- kanal (54) durch Anpassen mindestens eines in der Brennstoff¬ passage (28) angeordneten Strömungsleitmittels (62) und/oder mindestens eines im Bereich der Verbindungskanäle angeordne¬ ten Einstellelementes erfolgt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Anpassen des mindestens einen Strömungsleitmittels (62) und/oder des mindestens einen Einstellelementes durch Austau- sehen des Strömungsleitmittels und/oder des Einstellelementes und/oder Anpassen von dessen Form und/oder Lage erfolgt.
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