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Die Erfindung betrifft einen Drallerzeuger insbesondere für einen Brenner in einer Gasturbine. Die Erfindung betrifft ferner einen Brenner und eine Gasturbine.
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Im Hinblick auf die weltweiten Bemühungen zur Senkung des Schadstoffausstoßes von Befeuerungsanlagen, insbesondere bei Gasturbinen, wurden in den letzten Jahren Brenner entwickelt, die besonders geringe Ausstöße an Stickoxiden (NO
x) aufweisen. Dabei wird vielfach Wert darauf gelegt, dass solche Brenner jeweils nicht nur mit einem Brennstoff, sondern möglichst mit verschiedenen Brennstoffen, beispielsweise Öl und Erdgas wahlweise oder in Kombination betreibbar sind, um die Versorgungssicherheit und Flexibilität des Betriebs zu erhöhen. Solche Brenner sind beispielsweise in der
EP 0 276 696 B1 beschrieben.
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Der in
EP 0 276 696 B1 beschriebene Brenner ist ein Hybridbrenner für Vormischbetrieb mit Gas und/oder Öl, wie er insbesondere für Gasturbinenanlagen angewendet wird. Der Brenner umfasst eine zentrale Brennstoffzufuhranordnung, in die auch ein Pilotbrennersystem integriert ist, welches mit Gas und/oder Öl als ein sogenannter Diffusionsbrenner oder als gesonderter Vormischbrenner betreibbar ist. Zusätzlich ist die Möglichkeit zur Einspeisung von Inertstoffen vorgesehen. Die zentrale Brennstoffzufuhranordnung ist von einem Hauptbrennersystem umgeben, welches ein Luftzufuhr-Ringkanalsystem mit einer darin befindlichen Drallbeschaufelung mit einer Mehrzahl von Schaufeln und stromauf von den Schaufeln angeordneten Düsenrohren für den Vormischbetrieb mit Gas aufweist. Zusätzlich sind in der Brennstoffzufuhranordnung Einlassdüsen für Öl im Bereich der Drallbeschaufelung vorhanden die eine Vormischung des Hauptluftstroms mit Öl ermöglichen.
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Statt wie in
EP 0 276 696 B1 mittels stromauf von den Drallschaufeln gelegener Düsenrohre kann das Brenngas auch durch in den Drallschaufeln selbst angeordnete Düsenöffnungen in den Luftkanal eingedüst werden, wie dies beispielsweise in
EP 0 580 683 B1 beschrieben ist.
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Um die Kontrolle der Emissionen und der Verbrennungsstabilität weiter zu erhöhen, kann zusätzlich zu einer Gaseindüsung durch die Schaufel wie in
EP 0 580 683 B1 eine weitere Gaseindüsung durch die Schaufel genutzt werden.
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Im Betrieb erfahren diese Schaufeln unterschiedliche Temperaturverteilungen, die zu Bewegungen und Verformungen dieser Schaufeln führen. Während auf der Nabenseite des Drallerzeugers die Schaufeln angeschweißt sind (Festlager), ist auf der Außenseite des Drallerzeugers deswegen eine bewegliche Lagerung nötig, die einerseits die Bewegungen und Verformungen nicht behindert, andererseits die Schaufel sicher führt (Loslager mit zylindrischer Lagerfläche).
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Falls aufgrund einer geänderten Führung der Gasströmung in der Schaufel die Wärmebewegung nicht mehr nur in axialer Richtung erfolgt, sondern auch in radialer Richtung, besteht die Gefahr, dass sich die Lagerung verklemmt. Dies führt zu erhöhtem Verschleiß oder sogar zur Zerstörung der Lagerung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drallerzeuger mit verbesserter Lagerung für Drallschaufeln anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Indem das Loslager anstatt einer zylindrischen eine ballige Lagerfläche aufweist, wird folgendes erreicht:
Anders als bei bisherigen Loslagern der Schaufelbefestigung mit zylindrischer Lagerfläche, die nur Bewegungen in axialer Richtung zulassen, ermöglichen ballige Lagerflächen ein Verkippen im Lager an der Außenseite des Drallerzeugers, ohne dass dabei das Lagerspiel erhöht wird.
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Dadurch wird auch bei asymmetrisch angeordneten Kanälen für das Brenngas in den Drallschaufeln und den sich zusätzlich zu den axialen Wärmebewegungen ergebenden radialen Wärmebewegungen ein Verklemmen in der Lagerstelle vermieden und somit der Verschleiß im Betrieb reduziert.
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Vorteilhafterweise ist das Loslager in der äußeren Begrenzungswand angeordnet. Sind die Schaufeln über Festlager mit der Nabe verbunden, kann zentral über Verteilerkanäle in der Nabe Brennstoff den Zufuhrkanälen in den Schaufeln zugeführt werden, um über Auslassdüsen in den Zufuhrkanälen Brennstoff in den Luftstrom einzudüsen.
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Vorzugsweise weist ein innerer Teil des Loslagers die ballige Lagerfläche auf und ein äußerer Teil des Loslagers eine zylindrische Lagerfläche. Dadurch sind bei thermischer Dehnung der Schaufel und einer entsprechenden Verdrehung im Loslager immer eine gleichbleibend hohe Dichtigkeit und eine gleichbleibende Verklemmungsfreiheit garantiert.
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Zweckmäßiger Weise ist der Radius der balligen Lagerflache entsprechend dem Drehpunkt der Verkippung auszulegen, wobei es vorteilhaft sein kann, wenn die ballige Lagerfläche kugelförmig ist. Der Radius kann aber auch variieren, solange ein Verklemmen im Loslager ausgeschlossen wird, wobei zweckmäßiger Weise der Radius der balligen Lagerfläche gleich wie oder größer als ein halber Durchmesser des äußeren Teils des Loslagers ist.
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Vorzugsweise ist der innere Teil durch die Oberfläche einer Schaufelmutter gebildet, die mit der Drallschaufel verschraubbar ist. Dies erlaubt eine separate Herstellung der Komponenten sowie eine einfache Montage bzw. Demontage.
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Vorteilhafter Weise umfasst die Drallschaufel einen ersten und einen zweiten Brennstoffkanal, wodurch sich gegenüber einem einzelnen Brennstoffkanal die Emissionen besser kontrollieren und die Verbrennungsstabilität weiter erhöhen lassen.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Drallschaufel mittels als zylindrische Hohlelemente ausgeformten Schiebesitzen, innerhalb derer sich die Brennstoffkanäle erstrecken, mit der Nabe verbunden ist, so dass die Brennstoffkanäle mit Gasverteilerkanälen der Nabe in Strömungsverbindung stehen.
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Bevorzugt ist ein solcher Drallerzeuger in einem Brenner vorgesehen. In bevorzugter Ausgestaltung ist der Brenner weiterhin in einer Gasturbine vorgesehen.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
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1 den erfindungsgemäßen Brenner in einer stark schematisierten Prinzipskizze,
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2 eine Seitenansicht eines Gasturbinen-Vormischbrenners und insbesondere des Drallerzeugers,
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3 eine Draufsicht eines Gasturbinen-Vormischbrenners und insbesondere des Drallerzeugers,
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4 einen Schnitt durch einen Drallerzeuger eines Gasturbinen-Vormischbrenners mit Drallschaufel und einem in der Drallschaufel angeordneten Brennstoffkanal sowie Loslager nach dem Stand der Technik und
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5 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drallerzeuger mit Gleitlager mit einseitig balliger Lagerfläche.
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Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft den erfindungsgemäßen Brenner 2 in einer stark schematisierten Prinzipskizze, anhand derer das dem Brenner 2 zugrunde liegende Konzept beschrieben wird.
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Der erfindungsgemäße Brenner 2, der ggf. in Verbindung mit mehreren gleichartigen Brennern beispielsweise in der Brennkammer einer Gasturbinenanlage eingesetzt werden kann, umfasst ein inneres Pilotbrennersystem und ein das Pilotbrennersystem konzentrisch umgebendes Hauptbrennersystem. Sowohl Pilotbrennersystem als auch Hauptbrennersystem können wahlweise mit gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffen, wie bspw. Erdgas oder Heizöl, betrieben werden.
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Das Pilotbrennersystem umfasst einen inneren Ölzufuhrkanal 14, der von einem inneren ringförmigen Gaszufuhrkanal 15 konzentrisch umgeben ist. Dieser ist wiederum von einem inneren Luftzufuhrkanal oder Inertstoffzufuhrkanal 16 konzentrisch umgeben. In oder an diesem Luftzufuhrkanal 16 kann zudem ein geeignetes Zündsystem angeordnet sein (in der Figur nicht dargestellt). Das Pilotbrennersystem weist eine einer Brennkammer 17 zugewendete Austrittsöffnung 18 auf, in deren Bereich eine Drallbeschaufelung 19 im Luftzufuhrkanal angeordnet ist. Mittels Düsenöffnungen 20 kann Gas aus dem inneren Gaszufuhrkanal 15 im Bereich der Drallbeschaufelung oder stromauf der Drallbeschaufelung in den Luftzufuhrkanal 16 eingedüst werden. Öl aus dem Ölzufuhrkanal kann mittels Öldüsen 21 stromab der Drallbeschaufelung in die zugeführte Luft bzw. den zugeführten Inertstoff eingedüst werden.
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Die Aufgabe des Pilotbrennersystems besteht darin, die Brenner in einem stabilen Brennbetrieb aufrecht zu erhalten, da dieser meistens mit einem zu Instabilitäten neigenden Magergemisch betrieben wird. Das Pilotbrennersystem kann in an sich bekannter Weise mit Öl und/oder Gas als Diffusionsbrenner betrieben werden, in dem der Brennstoff direkt in die Flamme eingedüst wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit, das Pilotbrennersystem als Vormischbrenner zu betreiben, in dem der Brennstoff gründlich mit Luft vermischt wird, bevor das Gemisch der Flamme zugeführt wird.
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Das das Pilotbrennersystem umgebende Hauptbrennersystem umfasst einen radialen äußeren Luftzufuhrkanal 22, auch Ringluftkanal genannt, durch den sich mehrere Drallschaufeln 5 einer Drallbeschaufelung erstrecken. Diese Drallschaufeln 5 weisen erste Gasdüsen 23 und zweite Gasdüsen 24 auf, durch die Brenngas in die durch den radialen Luftzufuhrkanal 22 einströmende Luft eingedüst werden kann. In die durch den Luftzufuhrkanal 22 strömende Luft kann mittels Öldüsen 25 zudem Öl eingedüst werden. Zwar ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel von Öl und Öldüsen die Rede, jedoch soll dies lediglich stellvertretend für geeignete flüssige Brennstoffe und entsprechende Düsen stehen.
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Die in den Drallschaufeln 5 befindlichen ersten Gasdüsen 23 und zweiten Gasdüsen 24 sowie die Öldüsen 25 werden über eine radial innen liegende Brennstoffzufuhranordnung, die sogenannte Nabe 3, mit Brennstoff versorgt. In dieser sind erste und zweite ringförmige Gasverteilerkanäle 26 und 27 angeordnet, die die Gasdüsen 23 bzw. 24 mit Gas versorgen. Weiterhin ist in der Nabe 3 ein ringförmiger Ölverteilerkanal 28 angeordnet, der die Öldüsen 25 mit Öl versorgt. Die Gasverteilerkanäle 26, 27 sowie der Ölverteilerkanal 28 werden über Gaszufuhrkanäle 29, 30 bzw. über einen Ölzufuhrkanal 31 mit dem entsprechenden Brennstoff versorgt. Für den Ölzufuhrkanal 31 liegt ein eigenes Ölzufuhrrohr 32 vor.
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2 zeigt eine Seitenansicht eines bekannten Gasturbinen-Vormischbrenners 2 und insbesondere des Drallerzeugers 1. Drallschaufeln 5 sind auf der Nabenseite 3 des Drallerzeugers 1 angeschweißt (Festlager 6) und auf der Außenseite des Drallerzeugers 1 an der äußeren Begrenzungswand 4 in beweglichen Lagern (Loslager 7) sicher geführt.
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3 zeigt eine Draufsicht auf den Gasturbinen-Vormischbrenner 2 von 2.
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4 zeigt eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht durch eine bekannte Brennernabe 3 eines Gasturbinen-Vormischbrenners 2 mit Drallschaufel 5 und einem in der Drallschaufel 5 angeordneten Brennstoffkanal 11 mit den Auslassdüsen 23. Die Drallschaufel 5 ist auf der Nabenseite derart mit einem Schiebesitz in der Nabe 3 angebracht, dass der Brennstoffkanal 11 der Drallschaufel 5 mit einem Ringkanal 26 in der Nabe 3 verbunden ist, der über einen separaten Rohranschluss 29 (nicht in 4 gezeigt) versorgt wird. Wie aus den 2 und 3 bekannt, ist die Anordnung kreisrund, so dass man sich den Ringkanal 26 als kreisumlaufend vorzustellen hat. Auf der Seite der äußeren Begrenzungswand 4 weist die Drallschaufel 5 eine Passung in Form einer Schaufelmutter 10 auf, die auf das radial äußere Ende der Drallschaufel 5 geschraubt ist (und nach Ausrichtung der Drallschaufel 5 mit Schweißpunkten gegen Lösen gesichert ist) und mit ihrer Oberfläche eine zylindrische innere Lagerfläche 9 eines Loslagers 7 nach dem Stand der Technik bildet. 4 zeigt die axiale Bewegung 33 der Drallschaufel 5 im Loslager 7 aufgrund von Wärmedehnung.
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5 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Drallschaufel 5 mit zwei integrierten, unabhängig voneinander ansteuerbaren Brennstoffkanälen 11, 12. Der erste Brennstoffkanal 11 mit den Auslassdüsen 23 kann beispielsweise zum Eindüsen eines ersten Mediums und der zweite Brennstoffkanal 12 über die Auslassdüsen 24 kann zum Eindüsen eines zweiten Mediums verwendet werden. Vorzugsweise werden beide durch die Brennstoffkanäle 11, 12 der Drallschaufeln 5 einzudüsenden Medien gasförmig sein, z. B. das Eine Erdgas und das Andere Kohlegas. Ebenso kann über diese Auslassdüsen 23, 24 bei Bedarf ein Inertstoff wie etwa Wasserdampf eingedüst werden. Bei diesen im Vergleich zur Drallschaufel 5 der 4 asymmetrisch angeordneten Brennstoffkanälen 11, 12 können sich nun zusätzlich zu den axialen Wärmebewegungen auch radiale Wärmebewegungen 34 ergeben. Eine dadurch verursachte Klemmung im Loslager 7 mit zylindrischer Lagerfläche 9 kann nun durch die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe, bei der das Loslager 7 eine ballige Lagerfläche 8 aufweist, vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0276696 B1 [0002, 0003, 0004]
- EP 0580683 B1 [0004, 0005]
