DE102004027702A1 - Injector for liquid fuel and stepped premix burner with this injector - Google Patents

Injector for liquid fuel and stepped premix burner with this injector Download PDF

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Tom Strebel
Christian Jörg Motz
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor (4) für Flüssigbrennstoff (6a) sowie einen Vormischbrenner, insbesondere für Brennkammern von Gasturbinen, der einen derartigen Injektor (4) aufweist. Der Injektor (4) umfasst eine Dralldüse (14), die von einem Schirmluftkanal (11) umgeben ist und im Bereich eines düseninternen Drallerzeugers (12) für den Flüssigbrennstoff (6a) einen vergrößerten Strömungsquerschnitt aufweist, der sich zu einer Austrittsöffnung der Dralldüse (14) wieder reduziert. DOLLAR A Der vorliegende Injektor ermöglicht einen Betrieb des Vormischbrenners mit reduziertem Vordruck bei hoher Zerstäubungsqualität.The present invention relates to an injector (4) for liquid fuel (6a) and a premix burner, in particular for combustion chambers of gas turbines, having such an injector (4). The injector (4) comprises a swirl nozzle (14) which is surrounded by an umbrella air channel (11) and has an enlarged flow cross-section in the region of a nozzle-internal swirl generator (12) for the liquid fuel (6a), which extends to an outlet opening of the swirl nozzle (14 ) again reduced. DOLLAR A The present injector allows operation of the premixed burner with reduced admission pressure with high atomization quality.

Description

Technisches Anwendungsgebiettechnical field of use

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor für Flüssigbrennstoff mit einer Dralldüse zur Eindüsung des Flüssigbrennstoffs, die von einem Schirmluftkanal umgeben ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen gestuften Vormischbrenner, insbesondere für Brennkammern von Gasturbinen, mit einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom, Brennstoff-Austrittsöffnungen zum gestuften Einbringen von gasförmigem Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom und einem zentralen Träger, der einen Injektor mit einer Dralldüse zur Eindüsung von Flüssigbrennstoff sowie einen Schirmluftkanal aufweist.The The present invention relates to a liquid fuel injector having a swirl nozzle for injecting the fuel Liquid fuel, which is surrounded by an umbrella air duct. The invention relates furthermore a stepped premix burner, in particular for combustion chambers of gas turbines, having a swirl generator for a combustion air flow, Fuel outlet openings for the gradual introduction of gaseous fuel into the combustion air stream and a central support, the one injector with a swirl nozzle for the injection of liquid fuel and a Umbrella air channel has.

In Gasturbinenanlagen kommen häufig Vormischbrenner zum Einsatz, in denen einströmende Verbrennungsluft mit einem Drall beaufschlagt und durch Eindüsung von Brennstoff in einen Vormischbereich mit dem Brennstoff vermischt wird. Die Vormischbrenner müssen beim Einsatz in Gasturbinen den kompletten Betriebsbereich mit ausreichender Sicherheit abdecken. Dieser Betriebsbereich umfasst beispielsweise auch das Anfahren der Gasturbine, bei dem beim Zünden des Brenners ein Brennstoff/Luft-Gemisch bei Verbrennungsdrücken und Vorwärmtemperaturen nahe den Umgebungsbedingungen verbrannt werden muss. Zur Sicherstellung der Stabilität des Brennerbetriebes wird der Brenner in diesem Betriebsbereich in der Regel mit einer Pilotstufe betrieben. Diese Pilotstufe ist aus Gründen der Symmetrie zentral im Brennerströmungsfeld, beispielsweise in Form einer Brennstofflanze, angeordnet. Der Brennstoff wird der Verbrennungsluft dabei axial in Strömungsrichtung an der Spitze der Brennstofflanze über einen Injektor so zugegeben, dass brennstoffreiche Zonen im Strömungsfeld des Brenners vorliegen und somit ein stabiler Betrieb ohne Verlöschen der Flamme auch bei niedrigen Verbrennungsdrücken und -temperaturen gewährleistet ist. Bei höherer Betriebslast wird die Eindüsung von Brennstoff über die Pilotstufe zur Schadstoffreduzierung in der Regel verringert und der Brenner im vorteilhaften Vormischbetrieb betrieben.In Gas turbine plants are common Premix burners are used in which inflowing combustion air with a twist applied and by injection of fuel into one Premixed area is mixed with the fuel. The premix burners have to when used in gas turbines the entire operating range with sufficient Cover safety. This operating range includes, for example also the startup of the gas turbine, in which when igniting the burner, a fuel / air mixture at combustion pressures and preheating temperatures must be burned near the ambient conditions. To make sure stability Burner operation, the burner is in this operating range usually operated with a pilot stage. This pilot level is for reasons the symmetry centrally in the burner flow field, for example in Shape of a fuel lance, arranged. The fuel becomes the Combustion air thereby axially in the flow direction at the top the fuel lance over an injector so added that fuel-rich zones in the flow field of the burner and thus a stable operation without extinguishing the Ensures flame even at low combustion pressures and temperatures is. At higher Operating load is the injection from fuel over the pollutant reduction pilot stage is usually reduced and the burner operated in the advantageous premix operation.

Eine weitere Anforderung an Vormischbrenner sowie alle anderen modernen Gasturbinenbrenner besteht darin, dass der Brenner wahlweise für gasförmige und flüssige Brennstoffe verwendbar sein soll. Dies erfordert eine weitere Anordnung zur Brennstoffinjektion, die in der Regel ebenfalls an der Spitze der Brennstofflanze angebracht ist. Zur Vermeidung von brennstoffhaltigen gasförmigen Rückströmungen in die Brennstoffzuführungen zur Brennstofflanze weist der Brennstoffinjektor an der Brennstofflanze einen Ringspalt auf, aus dem ein, bezogen auf den Gesamtbrennerluftstrom geringer Anteil an Luft ausströmt. Diese so genannte Schirmluft schirmt die beiden Brennstoffdüsen für flüssigen und gasförmigen Brennstoff gegen unerwünschte Rückströmungen ab.A further requirement for premix burners as well as all other modern ones Gasturbinenbrenner is that the burner either for gaseous and liquid Fuels should be usable. This requires a further arrangement for fuel injection, which is usually also at the top the fuel lance is attached. To avoid fuel-containing gaseous Return flows in the fuel supplies to the fuel lance, the fuel injector points to the fuel lance an annular gap, from the one, based on the total burner air flow low proportion of air escapes. This so-called umbrella air shields the two fuel nozzles for liquid and gaseous Fuel against unwanted backflow from.

Ein Beispiel für eine Ausgestaltung eines derartigen bekannten Vormischbrenners ist in 1 in Seitenansicht (links) und Draufsicht (rechts) stark schematisiert dargestellt. Der Drallerzeuger 1 ist in diesem Beispiel aus zwei Teilschalen gebildet, die zu einem kegelmantelförmigen Drallkörper zusammengesetzt sind. Zwischen den beiden Teilschalen liegen Lufteintrittsschlitze 2 für den tangentialen Eintritt von Verbrennungsluft, die in der Figur mit den an dieser Stelle erkennbaren Pfeilen angedeutet sind. Im Vormischbetrieb wird entlang dieser Lufteintrittsschlitze über nicht erkennbare Zuführungen und Brennstoff-Austrittsöffnungen gasförmiger Brennstoff in die Verbrennungsluft eingebracht, um sich innerhalb des durch den Drallerzeuger 1 vorgegebenen Volumens mit der Verbrennungsluft zu vermischen. Innerhalb des Brenners ist zentral eine Brennstofflanze 3 zu erkennen, an deren Ende ein Injektor 4 mit Düsenöffnungen für die Eindüsung von flüssigem Brennstoff, von gasförmigem Brennstoff sowie für den Austritt von Schirmluft angebracht ist. Die Düsenöffnung 7 für die Einbringung von gasförmigem Brennstoff 7a ist hierbei im rechten Teil der Figur im Zentrum der Brennstofflanze 3 zu erkennen. Diese Düsenöffnung 7 ist von einem Spalt 5 für den Austritt von Schirmluft 5a umgeben. Die im vorliegenden Fall ringförmige Düsenöffnung 6 für die Einbringung von flüssigem Brennstoff 6a bildet den äußeren Bereich dieses Injektors 4.An example of an embodiment of such a known premix burner is shown in FIG 1 in side view (left) and top view (right) shown very schematically. The swirl generator 1 is formed in this example of two partial shells, which are assembled into a cone-shaped swirl body. Between the two subshells are air inlet slots 2 for the tangential entry of combustion air, which are indicated in the figure with the arrows recognizable at this point. In pre-mixing operation, gaseous fuel is introduced into the combustion air along these air inlet slots via unrecognizable feeders and fuel exit ports to move within the space through the swirl generator 1 given volume with the combustion air to mix. Inside the burner is centrally a fuel lance 3 to recognize, at the end of an injector 4 is provided with nozzle openings for the injection of liquid fuel, of gaseous fuel and for the exit of shielding air. The nozzle opening 7 for the introduction of gaseous fuel 7a is here in the right part of the figure in the center of the fuel lance 3 to recognize. This nozzle opening 7 is from a gap 5 for the escape of umbrella air 5a surround. The annular nozzle opening in the present case 6 for the introduction of liquid fuel 6a forms the outer area of this injector 4 ,

Im unteren Lastbereich der Gasturbine wird dieser Vormischbrenner ausschließlich mit einer der beiden Pilotstufen betrieben, d. h. durch die Eindüsung von flüssigem Brennstoff 6a oder von gasförmigem Brennstoff 7a über den Injektor 4 der Brennstofflanze 3. Im oberen Lastbereich muss bei gasförmigen Brennstoffen aufgrund des hohen Schadstoffausstoßes im Pilotbetrieb vollständig auf die Vormischstufe umgeschaltet werden. Bei der Verbrennung flüssiger Brennstoffe in der Pilotstufe wird im oberen Lastbereich eine Emulsion aus Wasser und Öl als Flüssigbrennstoff verbrannt. Durch die Einbringung des Wassers wird lokal im Strömungsfeld die Flammentemperatur abgesenkt. Dies führt zur Senkung der Schadstoffemissionen, insbesondere der Stickoxidemissionen. Neben den Schadstoffemissionen sind im oberen Lastbereich auch Verbrennungspulsationen zu vermeiden, die zu Einschränkungen im Betriebsbereich führen können. Besonders stabil brennende Öl/Wasser-Emulsionsflammen werden hierbei mit Drallinjektoren, auch als Druckdrallinjektoren bezeichnet, erzeugt. Aufgrund des hohen Durchsatzes sowie des beschränkten Platzangebotes im Bereich der Spitze der Brennstofflanze rufen derartige Drallinjektoren jedoch einen hohen brennstoffseitigen Druckverlust hervor.In the lower load range of the gas turbine this premix burner is operated exclusively with one of the two pilot stages, ie by the injection of liquid fuel 6a or of gaseous fuel 7a over the injector 4 the fuel lance 3 , In the upper load range of gaseous fuels must be switched over to the premix stage due to the high pollutant emissions in pilot operation. During the combustion of liquid fuels in the pilot stage, an emulsion of water and oil is burned as a liquid fuel in the upper load range. By introducing the water, the flame temperature is lowered locally in the flow field. This leads to a reduction in pollutant emissions, in particular nitrogen oxide emissions. In addition to the pollutant emissions are in the upper load range and Verbrennungspulsa avoiding restrictions that can lead to restrictions in the operating area. Particularly stable burning oil / water emulsion flames are hereby produced with swirl injectors, also referred to as pressure swirl injectors. However, due to the high throughput and the limited space available at the tip of the fuel lance, such swirl injectors cause a high pressure drop on the fuel side.

Darstellung der Erfindungpresentation the invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Injektor für Flüssigbrennstoff sowie einen Vormischbrenner mit einem derartigen Injektor anzugeben, die eine gute Zerstäubungsqualität bei niedrigem Vordruck des Flüssigbrennstoffes erzielen.The Object of the present invention is an injector for liquid fuel and to provide a premix burner with such an injector, the good atomization quality at low pressure of the liquid fuel achieve.

Die Aufgabe wird mit dem Injektor sowie dem Vormischbrenner gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Injektors sowie des Vormischbrenners sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The Task is solved with the injector and the premix burner according to claims 1 and 10 respectively. advantageous Embodiments of the injector and the Vormischbrenners are the subject the dependent claims or can be the following description and the embodiments remove.

Der vorliegende Injektor für Flüssigbrennstoff umfasst eine Dralldüse zur Eindüsung des Flüssigbrennstoffs sowie einen die Dralldüse umgebenden Schirmluftkanal. Unter Flüssigbrennstoff ist in diesem Zusammenhang nicht nur reiner Brennstoff, wie beispielsweise Öl, sondern auch eine Mischung oder Emulsion dieses Brennstoffes mit anderen Stoffen, insbesondere eine Öl/Wasser-Emulsion, zu verstehen.Of the present injector for liquid fuel includes a swirl nozzle for injection of the liquid fuel and a swirl nozzle surrounding shielding air duct. Under liquid fuel is in this Not only pure fuel, such as oil, but also also a mixture or emulsion of this fuel with others Substances, in particular an oil / water emulsion, to understand.

Die Dralldüse weist einen internen Drallerzeuger für den durchströmenden Flüssigbrennstoff auf und verbreitert sich im Bereich des Drallerzeugers auf einen vergrößerten Strömungsquerschnitt, der sich zur Austrittsöffnung der Dralldüse hin wieder reduziert. Durch die gasseitig gestufte Lanze verbleibt gegenüber herkömmlichen Injektoren mehr Raum für eine grössere Düse, wodurch der Druckverlust reduziert werden kann. Dies ermöglicht den Betrieb dieses Injektors mit niedrigem Vordruck bei dennoch guter Zerstäubungsqualität.The swirl nozzle has an internal swirl generator for the flowing liquid fuel on and widens in the area of the swirl generator on one enlarged flow cross section, to the outlet opening the swirl nozzle reduced again. By the gas side stepped lance remains across from usual Injectors more room for a bigger one Nozzle, causing the pressure loss can be reduced. This allows the operation of this injector with low pre-print but still good atomization quality.

Der düseninterne Drallerzeuger ist vorzugsweise als Drallgitter ausgebildet, das sich beispielsweise um einen zentralen Drallkörper innerhalb der Düse erstrecken kann. Weiterhin ist es von Vorteil, innerhalb des die Dralldüse umgebenden Schirmluftkanals ebenfalls einen Drallerzeuger anzuordnen. Die beiden Drallerzeuger können hierbei sowohl gleichsinnigen als auch gegensinnigen Drall erzeugen. Die Erzeugung eines gegenüber dem düseninternen Drallerzeuger gegensinnigen Dralls der Schirmluft kann einen positiven Einfluss auf die Zerstäubungsqualität des austretenden Flüssigbrennstoffes haben. Die Stärke und Richtung des Dralls lässt sich zur Erzeugung einer für die jeweilige Anwendung optimalen Eindüsung des Flüssigbrennstoffs über die geometrische Ausgestaltung des Drallerzeugers optimieren.Of the nozzle internal Swirl generator is preferably designed as a swirl grid, the for example, extend around a central swirler within the nozzle can. Furthermore, it is advantageous within the surrounding the swirl nozzle Umbrella air duct also to arrange a swirl generator. The two Swirl generators can in this case generate both the same direction and opposite direction twist. The generation of one opposite the nozzle internal Swirl generator opposing twist of the screen air can make a positive Influence on the atomization quality of the exiting liquid fuel to have. The strenght and direction of the twist leaves to produce a for the respective application optimal injection of the liquid fuel over the optimize geometric design of the swirl generator.

In einer Ausgestaltung des Injektors ist der Austrittsbereich, d.h. insbesondere die Begrenzungswände der Druckdralldüse und des Schirmluftkanals am Injektoraustritt, so ausgebildet, dass die Schirmluft und der Flüssigbrennstoff unter annähernd parallelen Strömungsrichtungen aus dem Injektor austreten.In In one embodiment of the injector, the exit area, i. in particular the boundary walls of the Druckdralldüse and the screen air channel at the injector outlet, formed so that the shielding air and the liquid fuel under approximate parallel flow directions exit from the injector.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, die Schirmluft unter einem Anstellwinkel zur Strömungsrichtung des Flüssigbrennstoffs aus dem Injektor austreten zu lassen, so dass durch die Schirmluft Scherkräfte auf den austretenden Flüssigbrennstoff ausgeübt werden. Dies lässt sich durch eine geeignete Ausformung der Austrittsöffnung für die Schirmluft, insbesondere der den Schirmluftkanal begrenzenden äußeren Ummantelung erreichen. Durch die dadurch erzeugte Scherrate lässt sich das Zerstäubungsergebnis beim Austritt des Flüssigbrennstoffs verbessern. Besonders hohe Scherraten zwischen der Schirmluft und dem Flüssigbrennstoff lassen sich mit nahezu senkrecht zur Strömungsrichtung des Flüssigbrennstoffes austretender Schirmluft erreichen.A Another embodiment provides, the shielding air at an angle to the flow direction of liquid fuel to let out of the injector, so that through the umbrella air shear on the emerging liquid fuel exercised become. This leaves by a suitable shaping of the outlet opening for the umbrella air, in particular reach the shielding air duct limiting outer sheath. The shear rate generated thereby allows the sputtering result at the exit of the liquid fuel improve. Particularly high shear rates between the shield air and let the liquid fuel with almost perpendicular to the flow direction of the liquid fuel reach escaping screen air.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Injektors sind die Dralldüse und die diese umgebende äußere Ummantelung, die zusammen mit der Dralldüse den Schirmluftkanal bildet, in axialer Richtung, d.h. in Hauptströmungsrichtung des Flüssigbrennstoffs, gegeneinander verschiebbar angeordnet. Dies ermöglicht die Variation der geometrischen Form der Austrittsöffnung der Schirmluft durch die gegenseitige Verschiebung. Beim Einsatz in einem Vormischbrenner einer Gasturbinenbrennkammer erfolgt diese Verschiebung vorzugsweise in Abhängigkeit von der Verbrennungslufttemperatur und damit der Last der Gasturbine. Im oberen Lastbereich können durch geeignete Verschiebung die Schirmluftgeschwindigkeit reduziert und somit die Zerstäubung, vor allem der Spraywinkel und die Sprayqualität, geändert werden.In a further advantageous embodiment of the injector are the swirl nozzle and the surrounding outer sheath, which together with the swirl nozzle forms the shielding air duct, in the axial direction, i. in the main flow direction the liquid fuel, arranged mutually displaceable. This allows the variation of the geometric Shape of the outlet the umbrella air through the mutual displacement. When used in a premix burner of a gas turbine combustor, this takes place Displacement preferably depending from the combustion air temperature and thus the load of the gas turbine. In the upper load range can reduced by appropriate displacement, the shield air velocity and thus the atomization, especially the spray angle and the spray quality, to be changed.

Selbstverständlich lassen sich die letztgenannten Ausführungsformen sowohl mit als auch ohne Drallerzeuger im Schirmluftkanal realisieren. Bei Einsatz eines Drallerzeugers im Schirmluftkanal kann auch hier über den Drallwinkel bzw. die Drallrichtung zusätzlich Einfluss auf die Zerstäubungsqualität des Flüssigbrennstoffes ausgeübt werden.Of course, let the latter embodiments realize both with and without swirl generator in the shield air duct. When using a swirl generator in the shield air duct can also on the Twist angle or the twist direction additionally influence the atomization quality of the liquid fuel exercised become.

Der vorgeschlagene gestufte Vormischbrenner weist einen derartigen Injektor an der Spitze eines zentralen Trägers für eine Pilotstufe auf. Dieser zentrale Träger kann beispielsweise in Form einer Brennstofflanze ausgebildet sein. Der Vormischbrenner ist dabei konstruktiv so ausgelegt, dass ein möglichst großer Injektor, d.h. ein Injektor mit einem möglichst großen verbreiterten Querschnitt am düseninternen Drallerzeuger, eingesetzt werden kann. Durch die gestufte Brennstoffeindüsung kann auf eine Injektion von gasförmigem Brennstoff an der Spitze des Trägers als Pilotstufe verzichtet werden. Vielmehr wird eine derartige Pilotierung mit gasförmigem Brennstoff durch die gestufte Brennstoffeindüsung erreicht. Der Vormischbrenner weist hierzu zumindest zwei unterschiedliche Gruppen von Brennstoff-Austrittsöffnungen mit getrennten Zuführungen zum gestuften Einbringen des gasförmigen Brennstoffs in den Verbrennungsluftstrom auf. In einer Ausgestaltung des Vormischbrenners kann eine dieser Gruppen von Brennstoff-Austrittsöffnungen in einem stromauf des Injektors liegenden Teil des Trägers ausgebildet sein. Diese Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen bildet dann die Pilotstufe für gasförmigen Brennstoff.Of the proposed stepped Vormischbrenner has such an injector at the top of a central carrier for one Pilot level on. This central carrier can be used, for example, in Form of a fuel lance be formed. The premix burner is structurally designed so that the largest possible injector, i. an injector with one as possible huge widened cross section at the nozzle internal Swirl generator, can be used. Due to the graded fuel injection can on an injection of gaseous Fuel at the top of the vehicle be omitted as a pilot stage. Rather, such a pilot with gaseous Fuel achieved by the graded fuel injection. The premix burner has for this purpose at least two different groups of fuel outlet openings with separate feeders for the gradual introduction of the gaseous fuel into the combustion air stream on. In one embodiment of the premix burner, one of these Groups of fuel outlets formed in a part of the carrier upstream of the injector be. This group of fuel outlets then forms the pilot stage for gaseous fuel.

Selbstverständlich lassen sich die unterschiedlichen Gruppen von Brennstoff-Austrittsöffnungen für die gestufte Zuführung von gasförmigem Brennstoff auch an anderer Stelle anordnen. Dies betrifft beispielsweise eine Ausgestaltung des Vormischbrenners, bei der der Drallerzeuger durch mehrere Teilschalen gebildet ist, die einen Vormischraum kegelmantelförmig umschließen und zwischen denen Lufteintrittsschlitze ausgebildet sind. Alle oder zumindest ein Teil der Brennstoff-Austrittsöffnungen für die gestufte Zuführung von gasförmigem Brennstoff ist dabei im Bereich der Lufteintrittsöffnungen ausgebildet.Of course, let the different groups of fuel outlets for the stepped feeder of gaseous Arrange fuel elsewhere. This applies, for example an embodiment of the premix burner, wherein the swirl generator is formed by a plurality of sub-shells, which enclose a pre-mixing chamber cone-shaped and between which air inlet slots are formed. All or at least a part of the fuel outlet openings for the stepped supply of gaseous Fuel is in the area of the air inlet openings educated.

Der vorliegende Vormischbrenner ermöglicht aufgrund des speziellen Injektors einen Betrieb mit einem verringerten brennstoffseitigen Druckverlust bei der Spraybildung sowie bei einigen Ausgestaltungen eine zusätzlich verbesserte Spraybildung.Of the present Vormischbrenner allows due to the special injector operation with a reduced Fuel-side pressure loss during the formation of spray as well as some Embodiments an additional improved spray formation.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings

Der vorliegende Injektor sowie der Vormischbrenner mit diesem Injektor werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:Of the present injector and the premix burner with this injector will be described in the following with reference to exemplary embodiments closer with the drawings explained. Hereby show:

1 schematisch ein Beispiel für einen Vormischbrenner gemäß dem Stand der Technik; 1 schematically an example of a premix burner according to the prior art;

2 schematisch ein Beispiel für eine Ausgestaltung eines Vormischbrenners mit dem vorliegenden Injektor; 2 schematically an example of an embodiment of a premix burner with the present injector;

3 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung des Injektors; 3 a first example of an embodiment of the injector;

4 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung des Injektors; und 4 a second example of an embodiment of the injector; and

5 ein drittes Beispiel für eine Ausgestaltung des Injektors. 5 a third example of an embodiment of the injector.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention

Der Aufbau eines Vormischbrenners gemäß dem Stand der Technik, wie er in der 1 schematisch dargestellt ist, wurde bereits in der Beschreibungseinleitung eingehend erläutert.The construction of a premix burner according to the prior art, as shown in the 1 has been shown schematically, has already been explained in detail in the introduction.

2 zeigt nun schematisch ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden gestuften Vormischbrenners, bei dem der erfindungsgemäße Injektor zum Einsatz kommt. Dieser Vormischbrenner weist in bekannter Weise einen Drallerzeuger 1 auf, der aus zwei Teilschalen zusammengesetzt ist, die kegelmantelförmig einen Vormischraum umschließen. Zwischen den beiden Teilschalen sind Lufteintrittsschlitze 2 ausgebildet, die im rechten Teil der Figur in Draufsicht (Blickrichtung entgegen der Strömungsrichtung) auf den Vormischbrenner angedeutet sind. Im Bereich dieser Lufteintrittsschlitze 2 sind Brennstoff-Austrittsöffnungen 10 für gasförmigen Brennstoff angeordnet, die über entsprechende Zuführungen mit diesem Brennstoff beaufschlagt werden. Durch das Einbringen des gasförmigen Brennstoffes in den tangential durch die Lufteintrittsschlitze 2 eintretenden Verbrennungsluftstrom erfolgt eine durch den Drall der Verbrennungsluft geförderte Vermischung des gasförmigen Brennstoffes mit der Verbrennungsluft. 2 now shows schematically an example of an embodiment of the present stepped premix burner, in which the injector according to the invention is used. This premix burner has a swirl generator in a known manner 1 on, which is composed of two sub-shells, which enclose a pre-mixing chamber cone-shaped. Between the two subshells are air inlet slots 2 formed, which are indicated in the right part of the figure in plan view (viewing direction opposite to the flow direction) on the premix burner. In the area of these air inlet slots 2 are fuel outlets 10 arranged for gaseous fuel, which are acted upon by corresponding feeds with this fuel. By introducing the gaseous fuel into the tangent through the air inlet slots 2 incoming combustion air flow is promoted by the swirl of the combustion air mixing of the gaseous fuel with the combustion air.

Im vorliegenden Beispiel ist eine Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen 10 für gasförmigen Brennstoff in der brennraumnahen Hälfte des Brenners ausgebildet, die eine von im vorliegenden Fall zwei Brennerstufen bildet. Eine zweite Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen 9 für gasförmigen Brennstoff ist in der zentralen Brennstofflanze 3 stromauf der Spitze dieser Lanze 3 angeordnet. Diese weitere Stufe für die Zuführung gasförmigen Brennstoffs kann während der Anfahrphase der Gasturbine, in deren Brennkammer dieser Brenner eingesetzt wird, als Pilotstufe dienen. Selbstverständlich kann auch die erstgenannte Brennerstufe beliebig in unterschiedliche Stufen aufgeteilt werden, die unabhängig voneinander mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagbar sind. Diese Brennerstufen können sich selbstverständlich auch über die gesamte axiale Länge des Drallerzeugers 1 erstrecken.In the present example is a group of fuel outlets 10 formed for gaseous fuel in the combustion chamber near the half of the burner, which forms one of two burner stages in the present case. A second group of fuel outlets 9 for gaseous fuel is in the central fuel lance 3 upstream of the tip of this lance 3 arranged. This further stage for the supply of gaseous fuel can serve as a pilot stage during the start-up phase of the gas turbine, in whose combustion chamber this burner is used. Of course, the first-mentioned burner stage can be arbitrarily divided into different stages, which are acted upon independently with gaseous fuel. These burner stages can of course also over the entire axial length of the swirl generator 1 extend.

An der Spitze der Brennstofflanze 3 ist der vorliegende Injektor 4 angeordnet, der im rechten Teil der 2 in Draufsicht zu erkennen ist. Die Figur zeigt hierbei die zentrale Austrittsdüse 6 für den Flüssigbrennstoff 6a sowie die diesen umgebende ringförmige Austrittsdüse 5 für die Schirmluft 5a. Durch die gestufte Ausbildung dieses Vormischbrenners wird die Anbringung einer zusätzlichen Düse für gasförmigen Brennstoff an der Lanzenspitze vermieden, so dass mehr Platz für den Injektor für Flüssigbrennstoff zur Verfügung steht. Dies ermöglicht sehr vorteilhaft den Einsatz des vorgeschlagenen Injektors mit dem verbreiterten Strömungsquerschnitt im Bereich des düseninternen Drallerzeugers.At the top of the fuel lance 3 is the present injector 4 arranged in the right part of the 2 can be seen in plan view. The figure shows the central outlet nozzle 6 for the liquid fuel 6a and the surrounding annular outlet nozzle 5 for the umbrella air 5a , The stepped design of this premix burner avoids the installation of an additional nozzle for gaseous fuel at the lance tip, so that more space is available for the injector for liquid fuel. This very advantageously allows the use of the proposed injector with the broadened flow cross-section in the region of the nozzle-internal swirl generator.

Im Anfahrbetrieb der Gasturbine wird ein Großteil des Brennstoffes über die Brennstofflanze 3 zugegeben. Erst bei höherer Last wird der Brenner mit niedrigeren Brennstoffanteilen über die Lanzenstufe betrieben, die eine Optimierung des Pulsations- und Schadstoffemissionsverhaltens ermöglichen.During startup of the gas turbine, a large part of the fuel is on the fuel lance 3 added. Only at higher load, the burner is operated with lower fuel levels over the lance stage, which allow optimization of the pulsation and pollutant emission behavior.

Die 3 bis 5 zeigen beispielhafte Ausgestaltungen von Injektoren 4, wie sie bei einem Vormischbrenner gemäß 2 eingesetzt werden können. Bei der Ausgestaltung gemäss 3 ist die geometrische Form der Dralldüse 14 gut zu erkennen. Diese Dralldüse 14 ist im Bereich des düseninternen Drallgitters 12 im Strömungsquerschnitt lokal stark vergrößert. Das Drallgitter ist hierbei um einen zentralen Drallkörper 15 ausgebildet. Aufgrund der gegenüber herkömmlichen Injektoren günstigeren Platzverhältnisse in der Lanzenspitze kann eine grössere Düse eingebaut werden, wodurch sich der Druckverlust deutlich vermindert, so dass dieser Injektor mit verringertem Vordruck bei hoher Zerstäubungsleistung betrieben werden kann.The 3 to 5 show exemplary embodiments of injectors 4 , as in a premix burner according to 2 can be used. In the embodiment according to 3 is the geometric shape of the swirl nozzle 14 clearly visible. This swirl nozzle 14 is in the area of the nozzle-internal swirl lattice 12 locally greatly enlarged in the flow cross-section. The swirl lattice is in this case around a central swirl body 15 educated. Due to the more favorable compared to conventional injectors space in the lance tip a larger nozzle can be installed, whereby the pressure loss is significantly reduced, so that this injector can be operated with reduced form with high atomization performance.

Der Schirmluftkanal 11 umgibt die Dralldüse 14. Die Schirmluft 5a tritt in diesem Anwendungsbeispiel in axialer Richtung aus der Lanzenspitze aus. Dies wird durch die geometrische Ausbildung der Begrenzungen des Schirmluftkanals 11 am Austrittsende erreicht, die parallel zur axialen Richtung verlaufen. Im Schirmluftkanal 11 kann wahlweise ein zusätzliches Drallgitter 13 mit im Verhältnis zum düseninternen Drallgitter 12 gleich- oder gegensinnigem Drall angeordnet sein. Über die Einstellung des Drallwinkels kann die Zerstäubungsqualität des Flüssigbrennstoffes beim Austritt aus dem Injektor beeinflusst werden.The shielding air duct 11 surrounds the swirl nozzle 14 , The umbrella air 5a occurs in this application example in the axial direction of the lance tip. This is due to the geometric design of the boundaries of the screen air channel 11 reached at the outlet end, which are parallel to the axial direction. In the shielding air duct 11 Optionally an additional swirl grid 13 with in relation to the nozzle internal vortex grid 12 be arranged equal or gegensinnigem swirl. The adjustment of the helix angle can influence the atomization quality of the liquid fuel as it exits the injector.

4 zeigt ein weiteres Beispiel für den vorliegenden Injektor 4, bei dem dieser ähnlich aufgebaut ist, wie der der 3. Der in der 4 dargestellte Injektor 4 weist jedoch unterschiedliche Austrittsrichtungen für die Schirmluft 5a und den Flüssigbrennstoff 6a auf. Durch die nach innen gerichtete Ausbildung des Austritts des Schirmluftkanals 11 wird eine Anstellung der Schirmluftströmung gegenüber der Strömungsrichtung des Flüssigbrennstoffes 6a beim Austritt aus dem Injektor erreicht. Im vorliegenden Beispiel wird durch die dargestellte Ausgestaltung ein Strömungsfeld der Schirmluft nahezu senkrecht zur Strömungsrichtung des Flüssigbrennstoffes erzwungen, so dass eine hohe Scherrate zwischen der Schirmluft und dem Flüssigbrennstoff erzeugt wird. Diese hohe Scherrate fördert den Zerstäubungseffekt. Auch hier kann ein Drallgitter 13 im Schirmluftkanal angeordnet sein, das, insbesondere bei der Erzeugung eines gegensinnigen Dralls, den Effekt der Zerstäubung noch verstärken kann. 4 shows another example of the present injector 4 , in which this is similar, like that of the 3 , The Indian 4 illustrated injector 4 However, has different exit directions for the shielding air 5a and the liquid fuel 6a on. By the inwardly directed formation of the outlet of the screen air duct 11 is a position of the screen air flow with respect to the flow direction of the liquid fuel 6a reached when exiting the injector. In the present example, a flow field of the umbrella air is forced almost perpendicular to the flow direction of the liquid fuel by the illustrated embodiment, so that a high shear rate between the shielding air and the liquid fuel is generated. This high shear rate promotes the atomization effect. Again, a vortex grid 13 be arranged in the shield air duct, which, in particular in the generation of an opposite twist, the effect of atomization can still strengthen.

5 zeigt schließlich ein weiteres Beispiel eines Injektors 4, der vergleichbar dem Injektor der 4 ausgebildet ist. Der Schirmluftkanal 11 weist in diesem Beispiel allerdings eine variable Geometrie auf, die durch eine gegenseitige Verschiebbarkeit der äußeren Ummantelung 16 gegenüber der Dralldüse 14 in axialer Richtung erreicht wird. Diese Verschiebbarkeit ist in der Figur durch die Doppelpfeile angedeutet. Wird die Dralldüse 14 gegenüber der äußeren Ummantelung 16 verschoben, so öffnet oder schließt sich der Austrittsspalt für die Schirmluft. Die Verschiebung wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der Verbrennungstemperatur und damit der Last der Gasturbine vorgenommen. So können beispielsweise im oberen Lastbereich mit Hilfe dieses Injektors durch Vergrößerung des Schirmluftspaltes die Schirmluftgeschwindigkeit reduziert und somit der Spraywinkel und die Sprayqualität geändert werden. 5 finally shows another example of an injector 4 , which is similar to the injector of 4 is trained. The shielding air duct 11 However, in this example has a variable geometry, by a mutual displacement of the outer sheath 16 opposite the swirl nozzle 14 is achieved in the axial direction. This displacement is indicated in the figure by the double arrows. Will the swirl nozzle 14 opposite the outer sheath 16 moved so opens or closes the exit slit for the shield air. The displacement is preferably carried out as a function of the combustion temperature and thus the load of the gas turbine. Thus, for example, in the upper load range with the help of this injector by increasing the shield air gap, the shield air velocity can be reduced and thus the spray angle and the spray quality can be changed.

Durch die vorliegende Ausgestaltung des Injektors bzw. Vormischbrenners ist ein schadstoffarmer und pulsationsfreier Betrieb bei der Verbrennung flüssiger Brennstoffe oder Brennstoffemulsionen in einer Gasturbinenbrennkammer möglich. Dies wird vor allem durch die Kombination eines gasseitig brennstoffgestuften Gasturbinenbrenners ermöglicht, der den Einbau des durch lokale Verbreiterung der Dralldüse größeren Injektors in der Lanzenspitze ermöglicht. Durch die unterschiedlichen Ausgestaltungen des Injektors lässt sich das Zerstäubungs- bzw. Sprayverhalten zur Optimierung der jeweiligen Anwendungen beeinflussen.By the present embodiment of the injector or premix burner is a low-emission and pulsation-free operation during combustion liquid fuels or fuel emulsions in a gas turbine combustor possible. This is mainly due to the combination of a gas-side fuel-graded gas turbine burner allows the installation of the larger by local broadening of the swirl nozzle injector allowed in the lance tip. Due to the different configurations of the injector can be the atomization or spray behavior to optimize the respective applications influence.

BEZUGSZEICHENLISTE

Figure 00150001
LIST OF REFERENCE NUMBERS
Figure 00150001

Claims (21)

Injektor für Flüssigbrennstoff, insbesondere für einen Vormischbrenner, mit einer Dralldüse (14) zur Eindüsung des Flüssigbrennstoffs (6a), die von einem Schirmluftkanal (11) für Schirmluft (5a) umgeben ist und im Bereich eines düseninternen Drallerzeugers (12) für den Flüssigbrennstoff (6a) einen vergrößerten Strömungsquerschnitt aufweist, der sich zu einer Austrittsöffnung der Dralldüse (14) wieder reduziert.Injector for liquid fuel, in particular for a premix burner, with a swirl nozzle ( 14 ) for injecting the liquid fuel ( 6a ), which are separated from an umbrella air duct ( 11 ) for umbrella air ( 5a ) is surrounded and in the region of a nozzle-internal swirl generator ( 12 ) for the liquid fuel ( 6a ) has an enlarged flow cross-section which extends to an outlet opening of the swirl nozzle ( 14 ) again reduced. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der düseninterne Drallerzeuger (12) als Drallgitter ausgebildet ist.Injector according to claim 1, characterized in that the nozzle-internal swirl generator ( 12 ) is designed as a twist lattice. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Drallgitter um einen zentralen Drallkörper (15) erstreckt.Injector according to claim 2, characterized in that the swirl lattice about a central swirl body ( 15 ). Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schirmluftkanal (11) ein kanalinterner Drallerzeuger (13) angeordnet ist.Injector according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the shield air channel ( 11 ) an intra-channel swirl generator ( 13 ) is arranged. Injektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der kanalinterne Drallerzeuger (13) im Schirmluftkanal (11) und der düseninterne Drallerzeuger (12) so ausgebildet sind, dass sie einen gegensinnigen Drall erzeugen.Injector according to claim 4, characterized in that the channel-internal swirl generator ( 13 ) in the shielding air channel ( 11 ) and the nozzle-internal swirl generator ( 12 ) are formed so that they generate an opposing twist. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (4) so ausgebildet ist, dass der Flüssigbrennstoff (6a) und die Schirmluft (5a) mit annähernd parallelen Strömungsrichtungen aus dem Injektor (4) austreten.Injector according to one of claims 1 to 5, characterized in that the injector ( 4 ) is designed so that the liquid fuel ( 6a ) and the shielding air ( 5a ) with approximately parallel flow directions from the injector ( 4 ) exit. Injektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Begrenzungswände der Dralldüse (14) und des Schirmluftkanals (11) an einem Austritt des Injektors (4) annähernd parallel verlaufen.Injector according to claim 6, characterized in that boundary walls of the swirl nozzle ( 14 ) and the shielding air duct ( 11 ) at an outlet of the injector ( 4 ) run approximately parallel. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirmluftkanal (11) an einem Austritt des Injektors (4) so ausgebildet ist, dass die Schirmluft (5a) unter einem Anstellwinkel zu einer Austrittsrichtung des Flüssigbrennstoffes (6a) austritt, um Scherkräfte auf den Flüssigbrennstoff (6a) auszuüben.Injector according to one of claims 1 to 5, characterized in that the shielding air duct ( 11 ) at an outlet of the injector ( 4 ) is formed so that the shielding air ( 5a ) at an angle of attack to an exit direction of the liquid fuel ( 6a ) to shear forces on the liquid fuel ( 6a ) exercise. Injektor einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dralldüse (14) und eine äußere Ummantelung (16), die in Verbindung mit der Dralldüse (14) den Schirmluftkanal (11) bildet, in axialer Richtung des Injektors (4) gegenseitig verschiebbar angeordnet sind.Injector according to one of claims 1 to 8, characterized in that the swirl nozzle ( 14 ) and an outer sheath ( 16 ), in conjunction with the swirl nozzle ( 14 ) the shielding air duct ( 11 ), in the axial direction of the injector ( 4 ) are arranged mutually displaceable. Gestufter Vormischbrenner, insbesondere für Brennkammern von Gasturbinen, mit einem Drallerzeuger (1) für einen Verbrennungsluftstrom, Brennstoff-Austrittsöffnungen (9, 10) mit Zuführungen zum gestuften Einbringen von gasförmigem Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom und einem zentralen Träger (3), der einen Injektor (4) mit einer Dralldüse (14) zur Eindüsung von Flüssigbrennstoff (6a) und einem Schirmluftkanal (11) für Schirmluft (5a) aufweist, wobei die Dralldüse (14) vom Schirmluftkanal (11) umgeben ist und im Bereich eines düseninternen Drallerzeugers (12) für den Flüssigbrennstoff (6a) einen vergrößerten Strömungsquerschnitt aufweist, der sich zu einer Austrittsöffnung der Dralldüse (14) wieder reduziert.Stepped premix burner, in particular for combustors of gas turbines, with a swirl generator ( 1 ) for a combustion air flow, fuel outlet openings ( 9 . 10 ) with feeds for staged introduction of gaseous fuel into the combustion air stream and a central support ( 3 ), which has an injector ( 4 ) with a swirl nozzle ( 14 ) for the injection of liquid fuel ( 6a ) and an umbrella air channel ( 11 ) for umbrella air ( 5a ), wherein the swirl nozzle ( 14 ) from the shielding air duct ( 11 ) is surrounded and in the region of a nozzle-internal swirl generator ( 12 ) for the liquid fuel ( 6a ) has an enlarged flow cross-section which extends to an outlet opening of the swirl nozzle ( 14 ) again reduced. Vormischbrenner Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Brennstoff-Austrittsöffnungen (9) zum Einbringen von gasförmigem Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom in einem stromauf des Injektors (4) liegenden Teil des Trägers (3) ausgebildet ist.Premix burner according to claim 10, characterized in that a part of the fuel outlet openings ( 9 ) for introducing gaseous fuel into the combustion air stream in an upstream of the injector ( 4 ) part of the carrier ( 3 ) is trained. Vormischbrenner Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (1) durch mehrere Teilschalen gebildet ist, die einen Vormischraum kegelmantelförmig umschließen und zwischen denen Lufteintrittsschlitze (2) ausgebildet sind.Premix burner according to claim 10 or 11, characterized in that the swirl generator ( 1 ) is formed by a plurality of subshells, which enclose a pre-mixing chamber cone-shaped and between which air inlet slots ( 2 ) are formed. Vormischbrenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Brennstoff-Austrittsöffnungen (10) zum Einbringen von gasförmigem Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom im Bereich der Lufteintrittsschlitze (2) am Drallerzeuger (1) angeordnet ist.Premix burner according to claim 12, characterized in that at least a part of the fuel outlet openings ( 10 ) for introducing gaseous fuel into the combustion air flow in the region of the air inlet slots ( 2 ) at the swirl generator ( 1 ) is arranged. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der düseninterne Drallerzeuger (12) als Drallgitter ausgebildet ist.Premix burner according to one of claims 10 to 13, characterized in that the nozzle-internal swirl generator ( 12 ) is designed as a twist lattice. Vormischbrenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Drallgitter um einen zentralen Drallkörper (15) erstreckt.Premix burner according to claim 14, characterized in that the swirl lattice around a central swirl body ( 15 ). Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Schirmluftkanal (11) ein kanalinterner Drallerzeuger (13) angeordnet ist.Premix burner according to one of claims 10 to 15, characterized in that in the shield air duct ( 11 ) an intra-channel swirl generator ( 13 ) is arranged. Vormischbrenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der kanalinterne Drallerzeuger (13) im Schirmluftkanal (11) und der düseninterne Drallerzeuger (12) so ausgebildet sind, dass sie einen gegensinnigen Drall erzeugen.Premix burner according to claim 16, characterized in that the channel-internal swirl generator ( 13 ) in the shielding air channel ( 11 ) and the nozzle-internal swirl generator ( 12 ) are formed so that they generate an opposing twist. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (14) so ausgebildet ist, dass der Flüssigbrennstoff (6a) und die Schirmluft (5a) mit annähernd parallelen Strömungsrichtungen in axialer Richtung des Trägers (3) aus dem Injektor (4) austreten.Premix burner according to one of claims 10 to 17, characterized in that the injector ( 14 ) is designed so that the liquid fuel ( 6a ) and the shielding air ( 5a ) with approximately parallel flow directions in the axial direction of the carrier ( 3 ) from the injector ( 4 ) exit. Vormischbrenner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Begrenzungswände der Dralldüse (14) und des Schirmluftkanals (11) an einem Austritt des Injektors (4) annähernd koaxial verlaufen.Premix burner according to claim 18, characterized in that boundary walls of the swirl nozzle ( 14 ) and the shielding air duct ( 11 ) at an outlet of the injector ( 4 ) are approximately coaxial. Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirmluftkanal (11) an einem Austritt des Injektors (4) so ausgebildet ist, dass die Schirmluft (5a) unter einem Anstellwinkel zu einer Austrittsrichtung des Flüssigbrennstoffes (6a) austritt, um Scherkräfte auf den Flüssigbrennstoff (6a) auszuüben.Premix burner according to one of claims 10 to 17, characterized in that the shielding air duct ( 11 ) at an outlet of the injector ( 4 ) is formed so that the shielding air ( 5a ) at an angle of attack to an exit direction of the liquid fuel ( 6a ) to shear forces on the liquid fuel ( 6a ) exercise. Vormischbrenner einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Dralldüse (14) und eine äußere Ummantelung (16), die in Verbindung mit der Dralldüse (14) den Schirmluftkanal (11) bildet, in axialer Richtung des Trägers (3) gegenseitig verschiebbar angeordnet sind.Premix burner according to one of claims 10 to 20, characterized in that the swirl nozzle ( 14 ) and an outer sheath ( 16 ), in conjunction with the swirl nozzle ( 14 ) the shielding air duct ( 11 ), in the axial direction of the carrier ( 3 ) are arranged mutually displaceable.
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