EP3889506A1 - Brennerkomponente eines brenners und brenner einer gasturbine mit einer solchen - Google Patents

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EP3889506A1
EP3889506A1 EP20167166.6A EP20167166A EP3889506A1 EP 3889506 A1 EP3889506 A1 EP 3889506A1 EP 20167166 A EP20167166 A EP 20167166A EP 3889506 A1 EP3889506 A1 EP 3889506A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
vortex generator
burner component
wall section
maximum
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20167166.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ramsatish KALURI
Stefan Dederichs
Michael Huth
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
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Priority to EP20828979.3A priority patent/EP4078032B1/de
Priority to KR1020227037339A priority patent/KR102787680B1/ko
Priority to PCT/EP2020/085563 priority patent/WO2021197654A1/de
Priority to US17/909,408 priority patent/US12050012B2/en
Priority to CN202080099239.2A priority patent/CN115362333B/zh
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex

Definitions

  • the invention relates to a burner component of a burner for use in a gas turbine.
  • the task of the burner component considered here is to bring about or promote swirling of combustion air with fuel.
  • disruptive elements are usually arranged in the flow path, which deflect the flow and thereby cause a swirl.
  • Blade-like structures are often used for this.
  • the flow resistance is important to be kept as low as possible and still ensure adequate mixing.
  • the object of the present invention is therefore to bring about improved mixing with the lowest possible resistance.
  • the generic burner component is intended to be a component of a burner.
  • the type of burner involved is initially irrelevant, but the burner component is advantageously used in a burner of a gas turbine. It is obvious here that the burner is to be arranged on the upstream side of a combustion chamber.
  • the burner has a flow channel in which combustion air flows in a flow direction from upstream to downstream.
  • the flow channel is necessarily limited by a wall.
  • the burner component now comprises, at least in sections, the wall adjoining the flow channel as a wall section.
  • a plurality of injection nozzles are generically arranged on the wall section. How the fuel is supplied to the injection nozzles is initially irrelevant. At least the injection nozzles are provided to enable fuel to be introduced into the flow channel. Consequently, the injection nozzles are initially connected to a fuel channel regardless of how it is designed or arranged.
  • the vortex generators are each arranged on the wall section and protrude into the flow channel.
  • the vortex generators as an obstacle in the flow channel, cause the combustion air to swirl.
  • the vortex generators have a shape with a starting edge running on the wall section.
  • the starting edge represents the boundary of the vortex generator on the upstream side.
  • the starting edge can have both an arcuate and a straight course.
  • the starting edge here runs along (not necessarily exactly in) a transverse direction which is oriented transversely to the flow direction on the wall section or tangentially to the wall section.
  • a terminating edge is located on the downstream side of the respective vortex generator.
  • the terminating edge extends in each case along (not necessarily exactly in) a vertical direction. This is aligned transversely to the wall section and transversely to the direction of flow.
  • the end of the terminating edge on the wall section forms a base point, with an end point located opposite at the terminating edge.
  • the respective vortex generator is limited on the one hand by two oppositely arranged side surfaces.
  • the side surfaces starting from the terminating edge, run upstream towards the opposite edge ends of the starting edge.
  • the vortex generator is limited by an inclined surface, which begins at the starting edge and runs to the end point.
  • the incline surface is delimited laterally, at least in sections, by the side surfaces.
  • the vortex generator has a vortex generator length which is measured in the direction of flow and extends from the starting edge to the base point. If the starting edge does not extend in a straight line in the transverse direction, so the point to be chosen on the starting edge is that which is located furthest upstream. This point can be the center, but in the case of a wall section that is not even, it will usually be an edge of the starting edge.
  • the inclined surface is now designed to be concave. This means that the incline surface is a curved surface that is deeply shaped into the vortex generator.
  • the vortex generators in the embodiment considered here have an approximately triangular shape. This applies both when viewed in the direction of flow and in the vertical direction with a view of the slope surface. Likewise, a view in the transverse direction shows the respective side surface with an approximately triangular shape.
  • a curvature has been shown to be advantageous in terms of improving the intermixing with the modification of a planar plane to a concave inclined surface, which has a certain deviation from a planar slope plane.
  • the slope plane is defined here by the end point and two further points of the circumferential edge of the slope surface, so that the slope surface lies completely below the slope plane.
  • a maximum distance between the inclined surface and the inclined plane of at least 0.03 times the vortex generator length and a maximum of 0.3 times the vortex generator length is preferred.
  • a maximum distance of at least 0.06 times the vortex generator length is particularly advantageous. Furthermore, it is particularly advantageous if the maximum distance corresponds to a maximum of 0.2 times the vortex generator length.
  • the side surfaces show a convex curvature in a section through the vortex generator along a plane transverse to the vertical direction.
  • the respective side surfaces form, in the simplest form, a section of a cylindrical surface.
  • An advantageous mixing of fuel in the combustion air is achieved if at least one injection nozzle is arranged in the immediate area of influence of the vortex generator.
  • an injection nozzle can advantageously be arranged on at least one side of the vortex generator in a side surface of the vortex generator or in the immediately adjacent wall section at a distance from the base of a maximum of 0.4 times the vortex generator length. It is particularly preferred here if the distance of the injection nozzles (regardless of the arrangement in the side surface or the wall section) to the base point corresponds to a maximum of 0.3 times the vortex generator length. Furthermore, an injection nozzle can advantageously be arranged on both sides of the vortex generator.
  • the injection nozzles are arranged in the center of the respective vortex generator.
  • an advantageous mixing of the fuel in the combustion air is brought about downstream of the vortex generator.
  • the injection nozzles are arranged directly on the vortex generator at the terminating edge (the injection nozzle interrupts the terminating edge or reduces its length at the base).
  • the injection nozzles can be arranged downstream of the vortex generator in the wall section.
  • the distance from the injection nozzle to the base point corresponds to a maximum of 0.4 times the vortex generator length. It is particularly advantageous if the distance corresponds to a maximum of 0.3 times the vortex generator length. In this way, the advantageous influence of the vortex generator with the concave incline surface is optimally used to achieve the best possible mixing of the fuel in the combustion air.
  • the injection nozzle when arranged on the wall section, is arranged at a distance from the base of at least 0.1 times the vortex generator length.
  • a further advantageous introduction of the fuel into the combustion air is made possible when at least one injection nozzle is arranged between two vortex generators. It is particularly advantageous to have precisely one injection nozzle in the middle between arranged the vortex generators.
  • the relevant arrangement relates to the position in the transverse direction.
  • the at least one injection nozzle between the vortex generators is also positioned in spatial proximity to the base point when viewed in the direction of flow. It is advantageous if the distance from the base point to the injection nozzle also corresponds to a maximum of 0.3 times the vortex generator length. It has been shown to be particularly preferred if the injection nozzle is arranged downstream of the base point at a maximum distance of 0.2 times the vortex generator length.
  • the multiple vortex generators can be arranged next to one another and offset from one another in the direction of flow.
  • the vortex generators are preferably arranged next to one another at the same height in the direction of flow. In this regard, it is unimportant whether other means for swirling the air flow are arranged upstream or downstream outside the immediate area of influence of the vortex generator.
  • the vortex generators are arranged at a distance from one another in the transverse direction.
  • the vortex generators are directly adjacent to one another. It is particularly advantageous here if, due to the adjoining arrangement of the vortex generators, the respective adjacent inclined surfaces have a common edge section.
  • the burner component as part of a burner can fulfill different functions.
  • the burner component can form a pipe section which surrounds the flow channel.
  • the burner component can form a section of a wall of the flow channel, with two or more sections, for example each as a burner component, surrounding the flow channel.
  • the burner component is intended to adjoin the flow channel suggests mixing fuel in combustion air in accordance with the intended task.
  • the burner component forms a burner lance.
  • the burner lance has a wall in the form of a rotation, with which the flow channel surrounds the wall section of the burner component.
  • the vortex generators are arranged distributed around the circumference of the wall section, the vortex generators being designed as described above.
  • a burner component according to the invention leads to the formation of a burner according to the invention which is used as intended on a combustion chamber.
  • the burner in a combustion chamber of a gas turbine is particularly advantageous, the burner component also preferably being a burner lance.
  • the burner comprises at least one mixing tube which surrounds the flow channel and is arranged upstream of the combustion chamber.
  • the burner component used here, with a design as described above, is arranged centrally in the mixing tube.
  • the use of the burner component according to the invention in a mixing tube brings about an advantageous mixing of fuel in the combustion air and thus enables largely pollutant-free combustion.
  • FIG. 1 is shown in a perspective view of an exemplary embodiment for a burner component 01 according to the invention in the form of a burner lance.
  • the typical rotationally shaped, elongated shape of the burner lance 01 can be seen.
  • the slightly conical wall of the burner lance forms the wall section 03 of the burner component 01 as a delimiting surface for the flow channel intended for use in the burner. This correspondingly defines the flow direction 05 from an upstream side to a downstream side.
  • the arrangement of a plurality of vortex generators 11 distributed around the circumference can also be seen, each of which has an approximately triangular shape when viewed from different directions.
  • the arrangement of several injection nozzles 21, 22, which are arranged downstream of the vortex generators 11, can also be seen.
  • the respective vortex generator 11 is delimited upstream by a starting edge 14.
  • the starting edge 14 runs along a transverse direction which is perpendicular to the direction of flow and tangential to the wall section 03. Due to the arrangement of the vortex generators 11 on the rotationally shaped wall section 03, the starting edge 14 is curved, so that the two opposite edge ends 15 of the starting edge 14 are arranged furthest upstream.
  • the vortex generator 11 is delimited by the terminating edge 16, which extends approximately in a respective vertical direction from a base point 18 on the wall section 03 to an end point 17. The vertical direction is aligned approximately perpendicular to the flow direction and perpendicular to the wall section 03 at the base point 18.
  • the distance from the terminating edge 16 to the edge ends 15 measured in the flow direction 05 defines a vortex generator length.
  • the respective vortex generator 11 is laterally bounded by two opposite side surfaces 19 which each extend from the terminating edge in the direction of the respective edge end 15 of the starting edge 14. As can be seen, the side surfaces 19 have a curved, convex shape.
  • the surface of the vortex generator which is essential for the swirling of the fuel in the combustion air, forms the inclined surface 12, which extends from the starting edge 14 to the end point 17.
  • the inclined surface 12 is delimited in sections by cutting edges with the two side surfaces 19.
  • the vortex generators 11 are arranged adjacent to one another in such a way that a common Edge portion of the adjacent incline surfaces 12 starting from the respective edge end 15 to essentially the beginning of the side surfaces 19 results.
  • the inclined surface 12 has a convexly curved shape. This is the decisive feature for achieving the advantageous turbulence and thus a further possibility for reducing pollutants during combustion.
  • the incline surface 12 is located below a theoretical incline plane 13.
  • the incline plane 13 is defined by the end point 17 and the two edge ends 15, so that the incline surface 12 is arranged completely below the incline plane 13.
  • the maximum distance between the incline surface 12 and the theoretical incline plane 13 corresponds to 0.1 times the vortex generator length.
  • injection nozzles 21, 22 can also be seen from the views.
  • an injection nozzle 21 is located in the wall section 03 in the center behind a vortex generator 11.
  • the distance from the center of the respective injection nozzle 21 to the base point 18 of the terminating edge 16 is approximately 0.2 times the vortex generator length in this exemplary embodiment.
  • a further injection nozzle 22 is arranged on the wall section 03 between two vortex generators 11.
  • the distance from the center of the injection nozzle 22 to the foot point 18 of the vortex generator 11 is approximately 0.16 times the vortex generator length.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennerkomponente (01) eines Brenners. Der Brenner weist einen Strömungskanal auf, in dem Verbrennungsluft in einer Strömungsrichtung (05) von stromaufwärts nach stromabwärts strömt. Dabei umfasst die Brennerkomponente (01) einen am Strömungskanal angrenzenden Wandabschnitt (03) und mehrere im Wandabschnitt (03) angeordnete Einspritzdüsen (21,22), und mehrere auf dem Wandabschnitt (03) angeordnete Wirbelerzeuger (11). Zur Verbesserung der Verteilung des Brennstoffs in der Verbrennungsluft ist vorgesehen, dass die Wirbelerzeuger (11) eine in Strömungsrichtung (05) ansteigende Steigungsfläche (12) aufweisen, die konkav gewölbt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennerkomponente eines Brenners zur Verwendung bei einer Gasturbine. Die hier betrachtete Aufgabe der Brennerkomponente ist es, eine Verwirbelung von Verbrennungsluft mit Brennstoff zu bewirken bzw. zu begünstigen.
  • Für eine vorteilhafte Verbrennung mit Ziel Schadstoffe nach Möglichkeit zu vermeiden ist es wesentlich, dass vor der Verbrennung eine homogene Vermischung des Brennstoffs in der Verbrennungsluft stattfindet. Um dies zu erreichen werden im Stand der Technik verschiedene Lösungen eingesetzt. Vielfach basieren diese darauf, eine Verwirbelung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff zu bewirken. Zwar führen entsprechende Verwirbelungen zu einem Widerstand in der Strömung, jedoch ist in aller Regel ohne eine Verwirbelung die geforderte weitgehend schadstofffreie Verbrennung nicht erzielbar.
  • Zur Verwirbelung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff werden in aller Regel Störelemente im Strömungsverlauf angeordnet, welche die Strömung umlenken und dabei eine Verwirbelung bewirken. Vielfach kommen hierzu schaufelartige Strukturen zum Einsatz.
  • Weiterhin ist es bekannt, auf der Oberfläche entlang des Strömungsverlaufs Störkonturen anzuordnen, die eine Verwirbelung der Verbrennungsluft bewirken. So ist es unter anderem bekannt, sogenannte Wirbelerzeuger auf der Wandung des Strömungskanals anzuordnen, welche entsprechend in den Strömungskanal hineinragen.
  • Unabhängig von der Art des Strömungsverlaufs und der Gestaltung der notwendigen Mitteln zur homogenen Vermischung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff gilt es, den Strömungswiderstand möglichst gering zu halten und dennoch die hinreichende Vermischung sicherzustellen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine verbesserte Vermischung bei möglichst geringem Widerstand zu bewirken.
  • Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Brennerkomponente nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Eine Brennerlanze als erfindungsgemäße Brennerkomponente ist im Anspruch 11 und ein Brenner mit der entsprechenden Brennerkomponente ist im Anspruch 12 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die gattungsgemäße Brennerkomponente ist bestimmungsgemäß Komponente eines Brenners. Um welche Art von Brenner es sich hierbei handelt ist zunächst unerheblich, jedoch wird die Brennerkomponente vorteilhaft bei einem Brenner einer Gasturbine eingesetzt. Hierbei ist offensichtlich, dass der Brenner an der stromaufwärtigen Seite einer Brennkammer anzuordnen ist. Dabei weist der Brenner einen Strömungskanal auf, in dem Verbrennungsluft in einer Strömungsrichtung von stromaufwärts nach stromabwärts strömt. Der Strömungskanal ist dabei notwendigerweise von einer Wandung begrenzt. Hierbei umfasst nunmehr die Brennerkomponente zumindest abschnittsweise die an den Strömungskanal angrenzenden Wandung als Wandabschnitt.
  • Auf dem Wandabschnitt sind gattungsgemäß mehrere Einspritzdüsen angeordnet. Wie die Versorgung von Brennstoff zu den Einspritzdüsen erfolgt ist zunächst unerheblich. Zumindest sind die Einspritzdüsen vorgesehen, um die Einbringung von Brennstoff in den Strömungskanal zu ermöglichen. Folglich stehen die Einspritzdüsen in Verbindung mit einem Brennstoffkanal zunächst unabhängig davon, wie dieser ausgeführt oder angeordnet ist.
  • Weiterhin befinden sich auf dem Wandabschnitt in räumlicher Nähe zu den Einspritzdüsen mehrere Wirbelerzeuger. Hierbei sind die Wirbelerzeuger jeweils auf dem Wandabschnitt angeordnet und ragen dabei in den Strömungskanal hinein. Entsprechend bewirken die Wirbelerzeuger als Hindernis im Strömungskanal eine Verwirbelung der Verbrennungsluft.
  • Dabei ist weiterhin gattungsgemäße vorgesehen, dass die Wirbelerzeuger eine Gestalt aufweisen mit einem auf dem Wandabschnitt verlaufenden Anfangsrand. Der Anfangsrand stellt auf der stromaufwärtigen Seite die Begrenzung des Wirbelerzeugers dar. Je nach Gestalt des Wandabschnitts kann der Anfangsrand sowohl einen bogenförmigen als auch einen geradlinigen Verlauf aufweisen. Der Anfangsrand verläuft hierbei entlang (nicht notwendigerweise genau in) einer Querrichtung, welche quer zur Strömungsrichtung auf dem Wandabschnitt bzw. tangential zum Wandabschnitt ausgerichtet ist.
  • Auf der stromabwärtigen Seite des jeweiligen Wirbelerzeugers befindet sich eine Abschlusskante. Die Abschlusskante erstreckt sich hierbei jeweils entlang (nicht notwendigerweise genau in) einer Hochrichtung. Diese ist quer zum Wandabschnitt sowie quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet. Das Ende der Abschlusskante am Wandabschnitt bildet ein Fußpunkt, wobei sich gegenüberliegend an der Abschlusskante ein Endpunkt befindet.
  • Begrenzt wird der jeweilige Wirbelerzeuger zum einen durch zwei gegenüberliegend angeordnete Seitenflächen. Hierbei verlaufen die Seitenflächen ausgehend von der Abschlusskante stromaufwärts auf die gegenüberliegenden Randenden des Anfangsrandes zuweisend. Weiterhin wird der Wirbelerzeuger durch eine Steigungsfläche begrenzt, welche am Anfangsrand beginnt und zum Endpunkt verläuft. Folglich wird die Steigungsfläche seitlich zumindest abschnittsweise durch die Seitenflächen begrenzt.
  • Der Wirbelerzeuger weist eine Wirbelerzeugerlänge auf, welche in Strömungsrichtung gemessen wird und sich hierbei vom Anfangsrand bis zum Fußpunkt erstreckt. Sofern sich der Anfangsrand nicht geradlinig in der Querrichtung erstreckt, so ist derjenige Punkt auf dem Anfangsrand zu wählen, welcher am weitesten stromaufwärts angeordnet ist. Dieser Punkt kann die Mitte, wird aber bei einem nicht ebenen Wandabschnitt in der Regel ein Randende des Anfangsrandes sein.
  • Während im Stand der Technik bei der spezifischen Form der Wirbelerzeuger eine planare Steigungsfläche vorgesehen ist, wird erfindungsgemäß nunmehr die Steigungsfläche konkav gewölbt ausgeführt. D.h. die Steigungsfläche stellt sich als eine gekrümmte, in den Wirbelerzeuger vertieft hinein geformte Oberfläche dar.
  • Wenngleich auf ersten Blick die Änderung der Steigungsfläche des Wirbelerzeugers von einer planaren Fläche auf eine konkav gewölbte Formgebung als unerheblich hinsichtlich der effektiven Vermischung erscheint, so hat sich jedoch gezeigt, dass eine bessere, homogenere Verteilung des Brennstoffs bei gleichem Strömungswiderstand gegenüber einem regulären Wirbelerzeuger erreicht werden kann. Im Ergebnis führt dieses zu einer, wenn auch geringen Verbesserung hinsichtlich einer möglichst Schadstoff-freien Verbrennung.
  • Die Wirbelerzeuger in der hier betrachteten Ausführung weisen eine ungefähr dreieckige Gestalt auf. Dies gilt sowohl bei einer Betrachtung in Strömungsrichtung als auch in der Hochrichtung mit Blick auf die Steigungsfläche. Ebenso bei einer Ansicht in Querrichtung zeigt sich jeweilige Seitenfläche mit einer ungefähr dreieckigen Gestalt.
  • Vorteilhaft sowohl hinsichtlich der Konstruktion als auch im gewünschten Ergebnis bei der Verwirbelung der Verbrennungsluft hat es sich gezeigt, wenn die Steigungsfläche einen konstanten Krümmungsradius aufweist und insofern die Steigungsfläche einen Abschnitt einer Kugelfläche bildet.
  • Als vorteilhaft hinsichtlich einer Verbesserung der Durchmischung mit der Abwandlung einer planaren Ebene zu einer konkaven Steigungsfläche hat sich eine Wölbung gezeigt, welche eine bestimmte Abweichung von einer planaren Steigungsebene aufweist. Die Steigungsebene wird hierbei von dem Endpunkt sowie zwei weiteren Punkten des umlaufenden Randes der Steigungsfläche definiert, so dass die Steigungsfläche vollständig unterhalb der Steigungsebene liegt. Bevorzugt wird hierbei ein maximaler Abstand der Steigungsfläche von der Steigungsebene von zumindest der 0,03-fachen Wirbelerzeugerlänge und von maximal der 0,3-fachen Wirbelerzeugerlänge. Besonders vorteilhaft ist maximaler Abstand von zumindest der 0,06-fachen Wirbelerzeugerlänge. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn der maximale Abstand maximal der 0,2-fachen Wirbelerzeugerlänge entspricht.
  • Im Gegensatz zur üblichen planaren Ausführung der Seitenflächen hat es sich als vorteilhaft gezeigt, die Seitenflächen nach außen gewölbt auszuführen. Hierbei zeigen die Seitenflächen bei einem Schnitt durch den Wirbelerzeuger entlang einer Ebene quer zu Hochrichtung eine konvexe Wölbung auf. Insofern bilden die jeweiligen Seitenflächen in einfachster Form einen Abschnitt einer Zylinderfläche.
  • Eine vorteilhafte Vermischung von Brennstoff in der Verbrennungsluft wird erreicht, wenn zumindest eine Einspritzdüse im unmittelbaren Einflussbereich des Wirbelerzeuger angeordnet wird.
  • Hierzu kann in einer ersten Variante vorteilhaft auf zumindest einer Seite des Wirbelerzeugers eine Einspritzdüse in einer Seitenfläche des Wirbelerzeugers oder im unmittelbar angrenzenden Wandabschnitt in einer Entfernung zum Fußpunkt von maximal der 0,4-fachen Wirbelerzeugerlänge angeordnet werden. Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn der Abstand der Einspritzdüsen (unabhängig von der Anordnung in der Seitenfläche oder dem Wandabschnitt) zum Fußpunkt maximal der 0,3-fachen Wirbelerzeugerlänge entspricht. Weiterhin kann vorteilhaft auf beiden Seiten des Wirbelerzeuger eine Einspritzdüse angeordnet werden.
  • In einer zweiten vorteilhaften Variante wird die Einspritzdüsen mittig zum jeweiligen Wirbelerzeuger angeordnet. In Kombination mit der erfindungsgemäßen konkaven Wölbung der Steigungsfläche wird eine vorteilhafte Vermischung des Brennstoffes in der Verbrennungsluft stromabwärts des Wirbelerzeugers bewirkt.
  • Bei mittiger Anordnung der Einspritzdüsen kann zum einen vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Einspritzdüsen unmittelbar am Wirbelerzeuger an der Abschlusskante angeordnet ist (die Einspritzdüsen unterbricht insofern die Abschlusskante oder reduziert dessen Länge am Fußpunkt).
  • Alternativ kann die Einspritzdüsen stromabwärts des Wirbelerzeugers im Wandabschnitt angeordnet sein.
  • Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Entfernung der Einspritzdüse zum Fußpunkt maximal der 0,4-fachen Wirbelerzeugerlänge entspricht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Entfernung maximal der 0,3-fachen Wirbelerzeugerlänge entspricht. So wird der vorteilhafte Einfluss des Wirbelerzeugers mit der konkaven Steigungsfläche optimal ausgenutzt zur Erzielung einer bestmöglichen Vermischung des Brennstoffes in der Verbrennungsluft.
  • Gleichfalls hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Einspritzdüse bei Anordnung auf dem Wandabschnitt in einer Entfernung zum Fußpunkt von zumindest der 0,1-fachen Wirbelerzeugerlänge angeordnet ist.
  • Hinsichtlich der Position der Einspritzdüsen wird jeweils dessen Mitte zur Bestimmung der Abstände betrachtet.
  • Eine weitere vorteilhafte Einbringung des Brennstoffes in die Verbrennungsluft wird ermöglicht bei Anordnung zumindest einer Einspritzdüse zwischen jeweils zwei Wirbelerzeugern. Besonders vorteilhaft wird genau eine Einspritzdüse mittig zwischen den Wirbelerzeugern angeordnet. Die diesbezügliche Anordnung bezieht sich auf die Position in der Querrichtung.
  • Die zumindest eine Einspritzdüse zwischen den Wirbelerzeugern wird in Strömungsrichtung betrachtet gleichfalls in räumlicher Nähe zum Fußpunkt positioniert. Dabei ist es vorteilhaft, wenn gleichfalls die Entfernung vom Fußpunkt zur Einspritzdüse maximal der 0,3-fachen Wirbelerzeugerlänge entspricht. Als besonders bevorzugt hat es sich gezeigt, wenn die Anordnung der Einspritzdüse stromabwärts des Fußpunktes in einer maximalen Entfernung von der 0,2-fachen Wirbelerzeugerlänge erfolgt.
  • Die mehreren Wirbelerzeuger können nebeneinander und in Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet sein. Bevorzugt erfolgt die Anordnung der Wirbelerzeuger nebeneinander auf gleicher Höhe in Strömungsrichtung. Diesbezüglich ist es unerheblich, ob andere Mittel zur Verwirbelung des Luftstroms stromaufwärts oder stromabwärts außerhalb des unmittelbaren Einflussbereichs der Wirbelerzeuger angeordnet sind.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Wirbelerzeuger in Querrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind. Als vorteilhaft hat es sich jedoch gezeigt, wenn die Wirbelerzeuger unmittelbar aneinander angrenzen. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn durch die angrenzende Anordnung der Wirbelerzeuger die jeweils die benachbarten Steigungsflächen einen gemeinsamen Randabschnitt aufweisen.
  • Die Brennerkomponente als Teil eines Brenners kann unterschiedliche Funktionen erfüllen. Beispielsweise kann die Brennerkomponente ein Rohrabschnitt bilden, welcher den Strömungskanal umgibt. Ebenso kann die Brennerkomponente einen Teilabschnitt einer Wandung des Strömungskanals bilden, wobei zwei oder mehr Teilabschnitte, beispielsweise jeweils als Brennerkomponente, den Strömungskanal umgeben. In jedem Fall grenzt die Brennerkomponente bestimmungsgemäß an den Strömungskanal an, entsprechend der vorgesehenen Aufgabe eine Vermischung von Brennstoff in Verbrennungsluft zu bewirken.
  • Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Brennerkomponente eine Brennerlanze bildet. Dabei weist die Brennerlanze eine rotationsförmige Wandung auf, womit der Strömungskanal den Wandabschnitt der Brennerkomponente umgibt. Entsprechend der runden Formgebung der Brennerlanze sind die Wirbelerzeuger auf dem Wandabschnitt im Umfang verteilt angeordnet, wobei die Wirbelerzeuger wie zuvor beschrieben ausgeführt sind.
  • Die Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Brennerkomponente führt zur Bildung eines erfindungsgemäßen Brenners, welcher bestimmungsgemäß an einer Brennkammer eingesetzt wird.
  • Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des Brenners bei einer Brennkammer einer Gasturbine, wobei es sich weiterhin bevorzugt bei der Brennerkomponente um eine Brennerlanze handelt.
  • Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Brenner zumindest ein Mischrohr umfasst, welches den Strömungskanal umgibt und stromaufwärts der Brennkammer angeordnet ist. Die hierbei eingesetzte Brennerkomponente mit einer Ausführung, wie zuvor beschrieben, ist zentrisch im Mischrohr angeordnet.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn zugleich eine Mehrzahl parallel verlaufender Mischrohre eingesetzt werden, welche stromauf einer gemeinsamen Brennkammer angeordnet sind. Dazu wird in jedem der Mischrohre eine Brennerkomponente wie zuvor beschrieben eingesetzt.
  • Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Brennerkomponente in einem Mischrohr wird eine vorteilhafte Vermischung von Brennstoff in der Verbrennungsluft bewirkt und somit eine weitgehend Schadstoff-freie Verbrennung ermöglicht.
  • In den nachfolgenden Figuren wird eine beispielhafte Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Brennerkomponente skizziert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine perspektivische Ansicht auf eine Brennerlanze als Brennerkomponente;
    Fig. 2
    eine Detailansicht auf die Anordnung von Wirbelerzeugern und Einspritzdüsen;
    Fig. 3
    eine Seitenansicht zur Fig. 2;
    Fig. 4
    eine Ansicht zur Fig. 1 entgegen der Strömungsrichtung;
    Fig. 5
    ein Schnitt durch die Brennerlanze im Bereich der Wirbelerzeuger.
  • In der Figur 1 wird in perspektivischer Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Brennerkomponente 01 in Form einer Brennerlanze gezeigt. Zu erkennen ist zunächst mal die typische rotationförmige, langgestreckte Gestalt der Brennerlanze 01. Die geringfügig konische Wandung der Brennerlanze bildet den Wandabschnitt 03 der Brennerkomponente 01 als begrenzende Oberfläche für den im Brenner bestimmungsgemäß vorhandenen Strömungskanal. Dieser definiert entsprechend die Strömungsrichtung 05 von einer Seite stromaufwärts zu einer Seite stromabwärts.
  • Weiterhin zu erkennen ist die Anordnung mehrerer im Umfang verteilt angeordneter Wirbelerzeuger 11, welche jeweils eine ungefähr dreieckige Gestalt, betrachtet aus verschiedenen Richtungen, aufweisen. Weiterhin zu erkennen ist die Anordnung von mehreren Einspritzdüsen 21,22, welche stromabwärts zu den Wirbelerzeugern 11 angeordnet sind.
  • Die Figuren 2 bis 5 zeigen nunmehr im Detail die Ausführung der Wirbelerzeuger 11 sowie die zugehörigen Einspritzdüsen 21,22.
  • Begrenzt wird der jeweilige Wirbelerzeuger 11 stromaufwärts von einem Anfangsrand 14. Dabei verläuft der Anfangsrand 14 entlang einer Querrichtung, welche senkrecht zur Strömungsrichtung tangential zum Wandabschnitt 03 ausgerichtet ist. Aufgrund der Anordnung der Wirbelerzeuger 11 auf dem rotationsförmigen Wandabschnitt 03 ist der Anfangsrand 14 gekrümmt, sodass die beiden gegenüberliegenden Randenden 15 des Anfangsrands 14 am weitesten stromaufwärts angeordnet sind. Gegenüberliegend wird der Wirbelerzeuger 11 von der Abschlusskante 16 begrenzt, welche sich ungefähr in einer jeweiligen Hochrichtung von einem Fußpunkt 18 am Wandabschnitt 03 bis zu einem Endpunkt 17 erstreckt. Die Hochrichtung ist hierbei ungefähr senkrecht zur Strömungsrichtung und senkrecht zum Wandabschnitt 03 am Fußpunkt 18 ausgerichtet.
  • Der Abstand von der Abschlusskante 16 zu den Randenden 15 gemessen in Strömungsrichtung 05 definiert hierbei eine Wirbelerzeugerlänge.
  • Seitlich wird der jeweilige Wirbelerzeuger 11 von zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 19 begrenzt, welche sich jeweils von der Abschlusskante in Richtung des jeweiligen Randendes 15 des Anfangsrandes 14 erstrecken. Wie zu erkennen ist, weisen die Seitenflächen 19 eine gewölbte, konvexe Formgebung auf.
  • Die für die Verwirbelung des Brennstoffes in der Verbrennungsluft wesentliche Oberfläche des Wirbelerzeuger bildet die Steigungsfläche 12, welche sich vom Anfangsrand 14 zum Endpunkt 17 erstreckt. Entsprechend wird die Steigungsfläche 12 abschnittsweise von Schnittkanten mit den beiden Seitenflächen 19 begrenzt. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Wirbelerzeuger 11 derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass sich abschnittsweise ein gemeinsamer Randabschnitt der benachbarten Steigungsflächen 12 ausgehend vom jeweiligen Randende 15 bis im Wesentlichen zum Beginn der Seitenflächen 19 ergibt.
  • Wenngleich nicht auf Anhieb aus den einzelnen Darstellungen ersichtlich, so ergibt sich jedoch aus der Zusammenschau, dass die Steigungsfläche 12 eine konvex gekrümmte Formgebung aufweist. Dieses ist das entscheidende Merkmal zur Erzielung der vorteilhaften Verwirbelung und somit zu einer weiteren Möglichkeit zur Reduzierung von Schadstoffen bei der Verbrennung. Dabei befindet sich die Steigungsfläche 12 unterhalb einer theoretischen Steigungsebene 13. Die Steigungsebene 13 wird hierbei definiert durch den Endpunkt 17 sowie die beiden Randenden 15, sodass die Steigungsfläche 12 vollständig unterhalb der Steigungsebene 13 angeordnet ist. Bei dieser bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass der maximale Abstand zwischen der Steigungsfläche 12 und der theoretischen Steigungsebene 13 der 0,1-fachen Wirbelerzeugerlänge entspricht.
  • Weiterhin aus den Ansichten ist die vorteilhafte Anordnung von Einspritzdüsen 21,22 ersichtlich. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass sich jeweils mittig hinter einem Wirbelerzeuger 11 eine Einspritzdüsen 21 in dem Wandabschnitt 03 befindet. Die Entfernung von der Mitte der jeweiligen Einspritzdüse 21 bis zum Fußpunkt 18 der Abschlusskante 16 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel ungefähr der 0,2-fachen Wirbelerzeugerlänge.
  • Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass jeweils zwischen zwei Wirbelerzeugern 11 eine weitere Einspritzdüse 22 auf dem Wandabschnitt 03 angeordnet ist. Dabei beträgt die Entfernung von der Mitte der Einspritzdüse 22 bis zum Fußpunkt 18 der Wirbelerzeuger 11 ungefähr der 0,16-fachen Wirbelerzeugerlänge.

Claims (14)

  1. Brennerkomponente (01) eines Brenners, insbesondere zur Verwendung bei einer Brennkammer einer Gasturbine, mit bestimmungsgemäß zumindest einem Strömungskanal, in dem Verbrennungsluft in einer Strömungsrichtung (05) von stromaufwärts nach stromabwärts strömt, umfassend einen am Strömungskanal angrenzenden Wandabschnitt (03) und mehrere im Wandabschnitt (03) angeordnete Einspritzdüsen (21,22), mittels denen Brennstoff in den Strömungskanal eingebracht werden kann, und mehrere Wirbelerzeuger (11), welche (11) jeweils
    - auf dem Wandabschnitt (03) angeordnet sind und
    - in den Strömungskanal hineinragen und
    - eine Wirbelerzeugerlänge in Strömungsrichtung (05) und
    - stromaufwärts einen auf dem Wandabschnitt (03) verlaufenden Anfangsrand (14) und
    - stromabwärts einen entlang einer jeweiligen Hochrichtung verlaufende Abschlusskante (16) mit einem Fußpunkt (18) am Wandabschnitt und einem Endpunkt (17) und
    - zwei gegenüberliegende von der Abschlusskante (16) stromaufwärts verlaufende Seitenflächen (19) und
    - eine vom Anfangsrand (14) zum Endpunkt (17) verlaufende Steigungsfläche (12) aufweisen
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steigungsfläche (12) konkav gewölbt ist.
  2. Brennerkomponente (01) nach Anspruch 1,
    wobei die Steigungsfäche (12) einen konstanten Krümmungsradius aufweist.
  3. Brennerkomponente (01) nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei eine Flächentiefe als maximaler Abstand von der Steigungsfläche (12) zu einer Steigungsebene (13) zumindest der 0,03-fachen, insbesondere zumindest der 0,06-fachen, Wirbelerzeugerlänge entspricht; und/oder
    wobei eine Flächentiefe als maximaler Abstand von der Steigungsfläche (12) zu einer Steigungsebene (13) maximal der 0,3-fachen, insbesondere maximal der 0,15-fachen, Wirbelerzeugerlänge entspricht.
  4. Brennerkomponente (01) nach einer der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei die Seitenflächen (19) in einem Schnitt quer zur Hochrichtung konvex gewölbt sind.
  5. Brennerkomponente (01) nach einer der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei am Wirbelerzeuger (11) auf einer, insbesondere auf jeder, Seite eine Einspritzdüse (21) in einer Seitenfläche und/oder in dem Wandabschnitt (03) in einer Entfernung zum Fußpunkt (18) von maximal der 0,3-fachen, insbesondere maximal der 0,2-fachen, Wirbelerzeugerlänge angeordnet ist.
  6. Brennerkomponente (01) nach einer der Ansprüche 1 bis 5,
    wobei jeweils eine Einspritzdüse (21) mittig zum jeweiligem Wirbelerzeuger (11) angeordnet ist.
  7. Brennerkomponente (01) nach Anspruch 6,
    wobei die Einspritzdüse an der Abschlusskante angeordnet ist; und/oder
    wobei die Einspritzdüse (21) in einer Entfernung zum Fußpunkt (18) von maximal der 0,4-fachen, insbesondere maximal der 0,3-fachen, Wirbelerzeugerlänge angeordnet ist; und/oder
    wobei die Einspritzdüse (21) in einer Entfernung zum Fußpunkt (18) von zumindest der 0,1-fachen Wirbelerzeugerlänge angeordnet ist.
  8. Brennerkomponente (01) nach einer der Ansprüche 1 bis 7,
    wobei jeweils zumindest, insbesondere genau, eine Einspritzdüse (22) mittig zwischen zwei Wirbelerzeugern (11) angeordnet ist.
  9. Brennerkomponente (01) nach Anspruch 8,
    wobei die Einspritzdüse (22) in einer Entfernung in Strömungsrichtung zum Fußpunkt (18) von maximal der 0,4-fachen, insbesondere maximal der 0,3-fachen, Wirbelerzeugerlänge angeordnet ist.
  10. Brennerkomponente (01) nach Anspruch 8,
    wobei die Steigungsflächen (12) vom benachbarten Wirbelerzeugern (11) einen gemeinsamen Randabschnitt aufweisen.
  11. Brennerlanze als Brennerkomponente (01) mit einer rotationsförmigen Wandung als Wandabschnitt (03) und mit mehreren im Umfang verteilt angeordneten Wirbelerzeugern (11) ausgeführt nach einer der vorhergehenden Ansprüche.
  12. Brenner zur Verwendung bei einer Brennkammer, insbesondere einer Gasturbine, umfassend eine Brennerkomponente (01), insbesondere eine Brennerlanze, nach einer der vorhergehenden Ansprüche.
  13. Brenner nach Anspruch 12,
    umfassend zumindest ein Mischrohr, welches stromauf einer Brennkammer angeordnet ist und indem die Brennerkomponente (01) zentrisch angeordnet ist.
  14. Brenner nach Anspruch 13,
    umfassend eine Mehrzahl parallel verlaufender Mischrohre, welche stromauf einer gemeinsamen Brennkammer angeordnet sind und in denen jeweils eine Brennerkomponente (01) zentrisch angeordnet ist.
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