CH703655A1 - Vormischbrenner für eine gasturbine. - Google Patents

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CH703655A1 CH01389/10A CH13892010A CH703655A1 CH 703655 A1 CH703655 A1 CH 703655A1 CH 01389/10 A CH01389/10 A CH 01389/10A CH 13892010 A CH13892010 A CH 13892010A CH 703655 A1 CH703655 A1 CH 703655A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner (10) für eine Gasturbine, in Form eines Doppelkegelbrenners, welcher zwei ineinander verschachtelt angeordnete Teilkegelschalen (11, 12) umfasst, die zwischen sich Lufteintrittskanäle (18, 19) bilden, durch die von aussen Verbrennungsluft (20) in einen kegelförmigen Innenraum (30) des Vormischbrenners (10) einströmt, wobei an den Aussenwänden der Lufteintrittskanäle (18, 19) quer zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft (20) verlaufende, lineare Lochreihen von Eindüsungsöffnungen (21) angeordnet sind, durch welche ein gasförmiger Brennstoff (22) in die quer dazu vorbeiströmende Verbrennungsluft (20) eingedüst wird. Eine Verbesserung in der Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft und eine Reduktion der Schadstoffemissionen werden dadurch erreicht, dass die Eindüsungsöffnungen (21) jeweils ein Durchmesserverhältnis von Durchmesser der Eindüsungsöffnung zu effektivem Austrittsdurchmesser des Vormischbrenners aufweisen, der zwischen 0.011 und 0.015 liegt. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Nacharbeiten von derartigen Vormischbrennern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik von Gasturbinen. Sie betrifft einen Vormischbrenner für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Nacharbeiten von derartigen Vormischbrennern.
STAND DER TECHNIK
[0002] Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Vormischbrenner für eine Gasturbine in Form eines so genannten «Doppelkegelbrenners», wie er beispielsweise aus der Druckschrift EP 0 851 172 A2 bekannt ist. Die erste Figur dieser Anmeldung ist hier als Fig. 1 wiedergegeben.
[0003] Der Vormischbrenner 10 gemäss Fig. 1besteht aus zwei sich entlang einer Achse (29 in Fig. 2) erstreckenden hohlen Teilkegelschalen 11, 12, die versetzt zueinander ineinandergeschachtelt sind. Die Versetzung der jeweiligen Mittelachse oder Längssymmetrieachse der Teilkegelschalen 11,12 zueinander erzeugt auf beiden Seiten, in spiegelbildlicher Anordnung, jeweils einen tangentialen Lufteintrittskanal 18, 19, durch welchen Verbrennungsluft 20 in den kegelförmigen Innenraum 30 des Brenners strömt. Die beiden Teilkegelschalen 11,12 weisen je einen Anfangsteil in Form eines Zylinders 14, 15 auf. Im Bereich der Zylinder 14, 15 ist eine Düse 24 zur Zerstäubung eines vorzugsweise flüssigen Brennstoffes 23 untergebracht, der nach der Zündung zusammen mit der eingedüsten Verbrennungsluft 20 eine Flammenfront 28 ausbildet.
[0004] Selbstverständlich kann der Vormischbrenner 10 rein kegelig, also ohne die Zylinder 14, 15, ausgebildet sein. Die Ziegelschalen 11, 12 weisen des Weiteren je eine Brennstoffleitung 16, 17 auf, welche entlang der tangentialen Lufteintrittskanäle 18, 19 angeordnet und mit Eindüsungsöffnungen 21 in Form von linearen Lochreihen versehen sind, durch welche ein gasförmiger Brennstoff 22 in die dort vorbeiströmende Verbrennungsluft 20 eingedüst wird, wie dies durch Pfeile versinnbildlicht wird. Diese Brennstoffleitungen 16, 17 sind vorzugsweise spätestens am Ende der tangentialen Einströmung, vor Eintritt in den Innenraum 30, platziert, um eine optimale Luft/Brennstoff-Mischung zu gewährleisten.
[0005] Zum Brennraum 25 weist der Vormischbrenner 10 eine als Verankerung für die Teilkegelschalen 11,12 dienende Frontplatte 13 mit einer Anzahl Bohrungen 26 auf, durch welche bei Bedarf Kühlluft 27 dem vorderen Teil des Brennraumes 25 zugeführt werden kann.
[0006] Die Ausgestaltung und Anordnung der Eindüsungsöffnungen 21 für den gasförmigen Brennstoff 22 hat erheblichen Einfluss auf die Vermischung des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft 20. Der Brennstoff 22 das wird in den Lufteintrittskanal 18, 19 des Vormischbrenners 10 senkrecht zum Luftstrom eingedüst. Die Mischung des Brennstoffs 22 mit der Luft wird sowohl vom Ort der Eindüsungsöffnungen 21 als auch von der Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Brennstoffs beeinflusst.
[0007] Bei den bisher im Einsatz befindlichen Vormischbrennern der beschriebenen Art werden Eindüsungsöffnungen 21 eingesetzt, die in Fig. 2 als Lochreihe R1 dargestellt sind, wobei jedem der beiden Lufteintrittskanäle 18, 19 jeweils eine solche Lochreihe zugeordnet ist. In der Lochreihe R1 sind, wenn als gasförmiger Brennstoff Erdgas verwendet wird, 32 Eindüsungsöffnungen 21 mit kleinem Austrittsdurchmesser angeordnet.
[0008] Es hat sie nun herausgestellt, dass beim Betrieb derartiger Vormischbrenner die Durchmischung der Verbrennungsluft und des gasförmigen Brennstoffs noch verbessert werden kann, um die Spitzenwerte der Flammentemperatur im Brenner zu senken und damit die Schadstoffemissionen (z.B. NOx) zu verringern.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0009] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Vormischbrenner der eingangs genannten Art zu schaffen, der hinsichtlich der Vermischung von Verbrennungsluft und gasförmigem Brennstoff deutlich verbessert ist.
[0010] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wichtig für die erfindungsgemässe Lösung ist, dass die Eindüsungsöffnungen in ihrem Durchmesser vergrössert werden. Diese Vergrösserung muss aber auf einen optimalen Bereich beschränkt werden. Ferner wurde gezeigt, dass nicht die absolute Grösse der Durchmesser zur Erzielung guter Ergebnisse entscheidend ist, sondern jeweils ein Durchmesserverhältnis von Durchmesser der Eindüsungsöffnung 21 zu effektivem Austrittsdurchmesser des Vormischbrenners 10. Als effektiver Austrittsdurchmesser des Vormischbrenners ist dabei der Durchmesser eines Kreises zu verstehen, der die selbe Fläche hat, wie die Austrittsöffnung des Vormischbrenners.
[0011] Eine typischer herkömmlicher Lochdurchmesser eines Brenners für Erdgas mit hohem Methananteil führte bei der Benutzung des neu eingeführten Verhältnisses von Durchmesser der Eindüsungsöffnung 21 zu effektivem Austrittsdurchmesser des Vormischbrenners 10 zu einem Durchmesserverhältnis von 0.0086. Für einen gasförmigen Brennstoff mit einem geringeren Heizwert wurde ein Durchmesserverhältnis von Durchmesser der Eindüsungsöffnung 21 zu effektivem Austrittsdurchmesser des Vormischbrenners 10 von 0.0097 benutzt.
[0012] Für beste Vermischung und Verbrennung ist neu ein Bereich der Durchmesserverhältnisse von Durchmesser der Eindüsungsöffnung zu effektivem Austrittsdurchmesser des Vormischbrenners, der zwischen 0.011 und 0.015 liegt, bestimmt worden. Entsprechend vergrössert sich auch der Abstand zwischen den Eindüsungsöffnungen beziehungsweise erniedrigt sich die Gesamtzahl der Eindüsungsöffnungen.
[0013] Herkömmlich wurden die Eindüseöffnungen so klein wie möglich gehalten, um eine gute Vermischung zu ermöglichen. Eine Mindestgrösse war jedoch erforderlich, um die Druckverluste, die bei der Eindüsung des Brennstoffes entstehen klein zu halten.
[0014] Durch die neue Ausgestaltung der Lochreihen mit grösserem Durchmesser ergibt sich ein höherer Impuls der aus den Eindüsungsöffnungen kommenden Gasstrahlen, der zu einer verstärkten Durchdringung der querströmenden Verbrennungsluft und damit zu einer verbesserten Mischung führt. Mit der verbesserten Mischung vergleichmässigen sich die Flammentemperaturen, was mit einer Reduktion der Temperaturspitzen und der dadurch verursachten Schadstoffemissionen einhergeht.
[0015] Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung weisen alle Eindüsungsöffnungen einer Lochreihe denselben Durchmesser auf und sind äquidistant.
[0016] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen benachbarten Eindüsungsöffnungen einer Lochreihe in etwa 16 mm beträgt.
[0017] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner für den Betrieb mit Erdgas als gasförmigem Brennstoff vorgesehen ist, und dass das Verhältnis von Lochdurchmesser der Eindüsungsöffnungen zu dem effektiven Austrittsdurchmesser des Vormischbrenners jeweils 0.012 beträgt.
[0018] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner für den Betrieb mit einem gasförmigen Brennstoff vorgesehen ist, der einen Heizwert hat, der um mindestens 20% unter dem Heizwert von Methan liegt, und dass die Eindüsungsöffnungen jeweils ein Durchmesserverhältnis von Durchmesser der Eindüsungsöffnung zu effektivem Austrittsdurchmesser des Vormischbrenners von 0.0137 aufweisen.
[0019] Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung sind pro Lufteintrittskanal jeweils zwei parallele Lochreihen mit doppeltem Lochabstand zwischen den Eindüsungsöffnungen vorgesehen, deren Löcher versetzt zueinander angeordnet sind. Durch die unterschiedlichen Einspritzpositionen kann die Verbrennungsstabilität positiv beeinflusst werden.
[0020] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist pro Lufteintrittskanal jeweils eine Lochreihe mit Eindüsungsöffnungen vorgesehen.
[0021] Neben dem neuartigen Vormischbrenner ist ein Verfahren zum Nacharbeiten derartiger Vormischbrenner Gegenstand der Erfindung. Aufgabe des Verfahrens ist es, einen herkömmlichen Vormischbrenner mit kleinen Eindüsungsöffnungen mit minimalem Aufwand so nachzuarbeiten, dass ein neuartiger Vormischbrenner mit grösseren Eindüsungsöffnungen erhalten wird. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen jedes zweite Loch einer Lochreihe von Eindüsungsöffnungen zu schliessen und den Durchmesser der verbleibenden Eindüsungsöffnung zu vergrössern. Zum Schliessen werden die Löcher beispielsweise zugeschweisst oder zugelötet. Beispielsweise kann auch ein kleiner Verschluss eingesetzt werden.
[0022] Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die dem Austritt des Vormischbrenners zur Brennkammer am nächsten liegende Eindüsungsöffnung geschlossen wird. Von dort ausgehend wird alternierend jeweils ein Loch aufgebohrt und ein Loch verschlossen.
[0023] Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die dem Austritt des Vormischbrenners zur Brennkammer am nächsten liegende Eindüsungsöffnung aufgebohrt wird. Von dort ausgehen werden alternierend jeweils ein Loch verschlossen wird und ein Loch aufgebohrt.
[0024] Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Durchmesser der verbleibenden Eindüsungsöffnung so vergrössert, dass sich deren Austrittsfläche verdoppelt.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
[0025] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen <tb>Fig. 1<sep>in einer perspektivischen, teilweise geschnittenen Seitenansicht einen bekannten Vormischbrenner vom Doppelkegel-Typ, wie er zur Verwirklichung der Erfindung geeignet ist; und <tb>Fig. 2<sep>verschiedene Lochreihen von Eindüsungsöffnungen bekannter und neuer Konfiguration im Verhältnis zum Vormischbrenner.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0026] In Fig. 2 ist eine Hälfte eines Vormischbrenners 10 vom Doppelkegel-Typ dargestellt, wie er in grossen Gasturbinen zum Einsatz kommt. Erkennbar ist der Kegelcharakter des Vormischbrenners 10, der zum Brennraum hin (in Fig. 2rechts) durch eine Frontplatte 13 begrenzt wird. Erkennbar ist auch ein Lufteintrittskanal 18, auf dessen Aussenseite quer eine Brennstoffleitung 16 für den gasförmigen Brennstoff angeordnet ist.
[0027] Bei den herkömmlichen Vormischbrennern wird der gasförmige Brennstoff in den Lufteintrittskanal 18 durch Eindüsungsöffnungen 21 eingedüst, die in Form und Anordnung die dargestellte Lochreihe R1 bilden. Hierbei handelt es sich um 32 Eindüsungsöffnungen 21 mit einem Durchmesserverhältnis von 0.0086 (für Erdgas; 0.0097 für einen Gas mit geringerem Heizwert), die untereinander einen Abstand von 8 mm haben und damit über eine Länge L von 8x31 mm verteilt sind. Von der Aussenseite der Frontplatte 13 hat die Lochreihe R1 einen Abstand a1 von 15 mm.
[0028] Um hier nun kräftigere Brennstoffstrahlen zu erreichen, wird die Lochreihe R1 ersetzt durch die Lochreihe R2 oder R3, bei der nur noch 16 Eindüsungsöffnungen 21 mit einem vergrösserten Durchmesserverhältnis von 0.011 und einem Abstand d von jeweils 16 mm vorgesehen sind. Damit bleibt die Summe aller Strömungsquerschnitte der Eindüsungsöffnungen gegenüber der Lochreihe R1 gleich, die wenigeren Einzelstrahlen sind aber kräftiger und reichen somit tiefer in den Strom der Verbrennungsluft hinein und führen zu einer deutlichen Verbesserung der Vermischung. Der Abstand der Lochreihe zur Frontplatte 13 kann dabei gegenüber der Lochreihe R1 unverändert bleiben (Lochreihe R2; Abstand a1); es ist aber auch denkbar, diesen Abstand von 15 mm auf 23 mm zu vergrössern (Lochreihe R3; Abstand a2), wodurch der Bereich einer stabilen Verbrennung zu tieferen Temperaturen verschoben wird.
[0029] Das Durchmesserverhältnis von 0.012 für die Eindüsungsöffnungen 21 der Lochreihen R2 und R3 ist für die Verwendung von Erdgas vorgesehen. Wird anstelle von Erdgas ein gasförmiger Brennstoff mit Heizwert kleiner als 80% des Heizwertes von Methan eingedüst, habend die Eindüsungsöffnungen 21 vorzugsweise alle ein Durchmesserverhältnis von 0.014.
[0030] In der Ausführungsform R5 sind zwei parallele Lochreihen mit relativ zueinander versetzten Eindüsungsöffnungen vorgesehen, sodass die beiden Lochreihen relativ zueinander «auf Lücke» positioniert sind. Der Abstand zwischen den Löchern einer Lochreihen ist dabei auf 2 x d verdoppelt.
[0031] Wesentlich für die verbesserte Vermischung, Verbrennung und Schadstoffemission ist die Aufteilung des Massenstroms des gasförmigen Brennstoffs auf deutlich weniger Eindüsungsöffnungen mit grösserem Durchmesser. Entgegen der Erwartung, nach der für eine bessere Durchmischung eine grosse Anzahl kleiner Eindüsungslöcher mit entsprechend hohem Druckverlust bei der Eindüsung, zu einer verbesserten Durchmischung führen würde, können die Emissionen aufgrund der höheren Eindringtiefe mit grösseren Löchern reduziert werden. Es versteht sich von selbst, dass die Durchmesser und Abstände der Eindüsungsöffnungen 21 in einer Lochreihe im Rahmen der Erfindung gewisse Variationen aufweisen können, um Ungleichmässigkeiten in der Verbrennungsluftströmung ausgleichen zu können.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0032] <tb>10<sep>Vormischbrenner <tb>11, 12<sep>Kegelschale <tb>13<sep>Frontplatte <tb>14, 15<sep>Zylinder <tb>16, 17<sep>Brennstoffleitung <tb>18, 19<sep>Lufteintrittskanal <tb>20<sep>Verbrennungsluft <tb>21<sep>Eindüsungsöffnung <tb>22<sep>Brennstoff (gasförmig) <tb>23<sep>Brennstoff (flüssig) <tb>24<sep>Düse <tb>25<sep>Brennraum <tb>26<sep>Bohrung <tb>27<sep>Kühlluft <tb>28<sep>Flammenfront <tb>29<sep>Achse <tb>30<sep>Innenraum (kegelförmig) <tb>a1, a2<sep>Abstand <tb>d<sep>Abstand <tb>L<sep>Länge <tb>R1....R5<sep>Lochreihe

Claims (12)

1. Vormischbrenner (10) für eine Gasturbine, in Form eines Doppelkegelbrenners, welcher zwei ineinander verschachtelt angeordnete Teilkegelschalen (11, 12) umfasst, die zwischen sich Lufteintrittskanäle (18, 19) bilden, durch die von aussen Verbrennungsluft (20) in einen kegelförmigen Innenraum (30) des Vormischbrenners (10) einströmt, wobei an den Aussenwänden der Lufteintrittskanäle (18, 19) quer zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft (20) verlaufende, lineare Lochreihen (R2, R3, R4) von Eindüsungsöffnungen (21) angeordnet sind, durch welche ein gasförmiger Brennstoff (22) in die quer dazu vorbeiströmende Verbrennungsluft (20) eingedüst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungsöffnungen (21) jeweils einen Durchmesserverhältnis von Durchmesser der Eindüsungsöffnung zu effektivem Austrittsdurchmesser des Vormischbrenners aufweisen, der zwischen 0.011 und 0.015 liegt.
2. Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Eindüsungsöffnungen (21) einer Lochreihe (R2, R3, R4) äquidistant sind und denselben Durchmesser aufweisen.
3. Vormischbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen benachbarten Eindüsungsöffnungen (21) einer Lochreihe (R2, R3, R4) in etwa 16 mm beträgt.
4. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner (10) für den Betrieb mit Erdgas als gasförmigem Brennstoff (22) vorgesehen ist, und dass die Eindüsungsöffnungen (21) jeweils ein Durchmesserverhältnis von Durchmesser der Eindüsungsöffnung zu effektivem Austrittsdurchmesser des Vormischbrenners von 0.012 aufweisen.
5. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner (10) für den Betrieb mit einem gasförmigen Brennstoff (22) vorgesehen ist, der einen geringeren Heizwert hat als Erdgas, und dass die Eindüsungsöffnungen (21) jeweils ein Durchmesserverhältnis von Durchmesser der Eindüsungsöffnung zu effektivem Austrittsdurchmesser des Vormischbrenners von 0.0137 aufweisen.
6. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass pro Lufteintrittskanal (18, 19) jeweils eine Lochreihe (R2, R3, R4) mit Eindüsungsöffnungen (21) vorgesehen ist.
7. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass pro Lufteintrittskanal (18, 19) jeweils zwei parallele Lochreihen (R5) mit zueinander versetzten Eindüsungsöffnungen (21) vorgesehen sind.
8. Verfahren zum Nacharbeiten von Vormischbrennern (10) für eine Gasturbine, in Form eines Doppelkegelbrenners, welcher zwei ineinander verschachtelt angeordnete Teilkegelschalen (11, 12) umfasst, die zwischen sich Lufteintrittskanäle (18, 19) bilden, durch die von aussen Verbrennungsluft (20) in einen kegelförmigen Innenraum (30) des Vormischbrenners (10) einströmt, wobei an den Aussenwänden der Lufteintrittskanäle (18, 19) quer zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft (20) verlaufende, lineare Lochreihen (R1) von Eindüsungsöffnungen (21) angeordnet sind, durch welche ein gasförmiger Brennstoff (22) in die quer dazu vorbeiströmende Verbrennungsluft (20) eingedüst wird, dadurch gekennzeichnet, dass jedes zweite Loch einer Lochreihe (R1) von Eindüsungsöffnungen (21) geschlossen wird und der Durchmesser der verbleibenden Eindüsungsöffnung (21) vergrössert wird
9. Verfahren zum Nacharbeiten von Vormischbrennern (10) für eine Gasturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindüsungsöffnungen zum Schliessen zugeschweisst oder zugelötet werden.
10. Verfahren zum Nacharbeiten von Vormischbrennern (10) für eine Gasturbine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, die dem Austritt des Vormischbrenners (10) zur Brennkammer am nächsten liegende Eindüsungsöffnung (21) geschlossen wird und von dort ausgehend alternierend jeweils eine Eindüsungsöffnung (21) aufgebohrt und eine Eindüsungsöffnung (21) verschlossen wird.
11. Verfahren zum Nacharbeiten von Vormischbrennern (10) für eine Gasturbine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Austritt des Vormischbrenners zur Brennkammer am nächsten liegende Eindüsungsöffnung (21) aufgebohrt wird und von dort ausgehend alternierend jeweils eine Eindüsungsöffnung (21) verschlossen wird und eine Eindüsungsöffnung (21) aufgebohrt, wird.
12. Verfahren zum Nacharbeiten von Vormischbrennern (10) für eine Gasturbine nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der verbleibenden Eindüsungsöffnungen (21) so vergrössert wird, dass sich deren Austrittsfläche verdoppelt.
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