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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Bennstofflanze und einen Brenner mit einer solchen Brennstofflanze.
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Technischer Hintergrund
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Brennstofflanzen werden bei Brennern eingesetzt, die sowohl mit flüssigem Brennstoff, als auch mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden können. In der Regel ist die Brennstofflanze zum Betrieb mit flüssigen Brennstoffen, beispielsweise Öl, vorgesehen. Der flüssige Brennstoff strömt durch die Brennstofflanze und tritt an ihrer Spitze durch Brennstoffdüsen in eine Brennkammer aus, wobei der Brennstoff zerstäubt wird. Die Brennstofflanzen enthalten außerdem einen Kühlluftkanal, durch den von einem Verdichter verdichtete Luft in die Brennkammer gelangt, die sich mit dem von den Brennstoffdüsen zerstäubten flüssigen Brennstoff vermischt. Die verdichtete Luft verbrennt mit dem flüssigen Brennstoff zu einem heißen Abgas. Der von dem heißen Abgas erzeugte Strömungsdruck treibt üblicherweise eine Gasturbine an, die neben dem Verdichter für die Kühlluft beziehungsweise die Verbrennungsluft beispielsweise einen elektrischen Generator antreiben kann.
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Beim Betrieb ist die Spitze der Brennstofflanze wegen der nahen Flamme hohen Temperaturen in einem Bereich bis ungefähr 1000 Grad Celsius ausgesetzt. Der flüssige Brennstoff und die Kühlluft besitzen hingegen deutlich niedrigere Temperaturen und kühlen die Brennstofflanze im Bereich um die jeweiligen Austrittsöffnungen ab. Dadurch treten an der Spitze der Brennstofflanze häufig starke Temperaturgradienten auf, die zu mechanischen Spannungen und schließlich zu Rissen führen.
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In
WO 2010/066516 A2 wird vorgeschlagen, die Spitze der Brennstofflanze mit Schlitzen zu versehen, die eine Wärmeausdehnung des erhitzten Materials erlauben und dadurch die mechanischen Spannungen in der Spitze des Brennstofflanze vermindern sollen. Solche Schlitze können jedoch nicht an allen Oberflächenstellen der Spitze der Brennstofflanze vorgesehen werden, ohne deren Stabilität zu beeinträchtigen.
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Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, eine verbesserte Brennstofflanze und einen Brenner mit einer solchen Brennstofflanze einzuführen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein erster Erfindungsaspekt führt daher eine Brennstofflanze für einen Brenner, insbesondere für einen Gasturbinenbrenner, ein. Die Brennstofflanze weist einen Schaft mit einer Umfangsfläche und eine auf dem Schaft angeordnete, sich zu einem Ende der Brennstofflanze hin verjüngende Spitze auf. Die Spitze besitzt eine sich um eine Längsachse der Brennstofflanze herum erstreckende Austrittsöffnung eines durch den Schaft und die Spitze verlaufenden Kühlluftkanals. Außerdem besitzt die Spitze eine um die Austrittsöffnung herum angeordnete Düsenfläche mit einer Mehrzahl von Brennstoffdüsen. Erfindungsgemäß besitzt die Brennstofflanze eine der Anzahl der Brennstoffdüsen wenigstens entsprechende Anzahl von Brennstoffkanälen, welche jeweils mit einer zugeordneten Brennstoffdüse verbunden und ausgebildet sind, der jeweils zugeordneten Brennstoffdüse einen flüssigen Brennstoff zuzuführen. Die Brennstoffkanäle sind in dem Schaft von der Längsachse beabstandet angeordnet, wobei eine Hauptrichtungskomponente einer Flussrichtung des flüssigen Brennstoffes in den Brennstoffkanälen parallel zu der Längsachse ausgerichtet ist.
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Die Brennstofflanze der Erfindung bietet den Vorteil, dass ein im Betrieb durch die Brennstoffkanäle fließender flüssiger Brennstoff nicht, wie im Stand der Technik üblich, bis in unmittelbare Nähe der Brennstoffdüsen über einen zentralen Kanal in der Brennstofflanze, sondern unter der Oberfläche des Schaftes der Brennstofflanze geführt wird, wodurch der verhältnismäßig kühle flüssige Brennstoff auf seinem Weg zu den Brennstoffdüsen durch Konvektion den Schaft und die Spitze der Brennstofflanze kühlt. Dadurch werden die Temperatur der Brennstofflanze im Bereich der Brennstoffkanäle und somit auch Temperaturgradienten in der Spitze der Brennstofflanze vorteilhaft reduziert. Durch eine einfache konstruktive Umgestaltung der inneren Struktur der Brennstofflanze kann somit die Lebensdauer des Bauteils erhöht werden. Die erfindungsgemäße Brennstofflanze kann dabei problemlos mit den herkömmlichen Fertigungsverfahren, beispielsweise Gussverfahren, hergestellt werden.
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Vorzugsweise ist der Abstand eines Brennstoffkanals zu der Längsachse größer als der Abstand von dem Brennstoffkanal zu der Umfangsfläche des Schaftes. Dies bedeutet, dass die Brennstoffkanäle möglichst nahe unter der Umfangsfläche des Schaftes geführt werden, um einen möglichst guten Wärmeleitwert zwischen dem flüssigen Brennstoff und der Umfangsfläche des Schaftes und damit der unmittelbaren Umgebung der Brennstofflanze zu erreichen. Dabei soll der Abstand von dem Brennstoffkanal zu der Umfangsfläche des Schaftes jedoch so gewählt sein, dass die strukturelle Integrität der Brennstofflanze bei Betrieb mit einem gegebenenfalls unter Druck stehenden flüssigen Brennstoff gewährleistet ist. Beispielsweise kann der Abstand von einem Brennstoffkanal zu der Umfangsfläche des Schaftes weniger als ein Zentimeter, vorzugsweise weniger als drei Millimeter betragen.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennstofflanze kann ein erster Querdurchmesser eines Brennstoffkanals in einer von der Längsachse radialen Richtung geringer sein als ein zweiter Querdurchmesser des Brennstoffkanals in einer zu der Umfangsfläche tangentialen und zu der Längsachse senkrechten Richtung. Dadurch wird die Kontaktfläche zwischen dem flüssigen Brennstoff in dem Brennstoffkanal zu der von der Flamme erhitzten Umfangsfläche des Schaftes der Brennstofflanze hin relativ zu einer Querschnittsfläche des Brennstoffkanals vergrößert, was den Wärmeabtransport durch den Brennstoff von der Umfangsfläche verbessert.
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Bei allen Ausführungsformen der Erfindung können der Schaft und die Spitze der Brennstofflanze um die Längsachse rotationssymmetrisch ausgeführt werden. Dies bietet eine möglichst gleichmäßige Verteilung von Brennstoff und Verdichterluft in der Brennkammer. Insbesondere sind in einem solchen Fall alle Brennstoffkanäle gleichartig ausgeführt.
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Für jede Brennstoffdüse kann auch eine Mehrzahl von Brennstoffkanälen vorgesehen sein, welche wenigstens teilweise parallel zueinander verlaufen und entlang einer Umfangsrichtung in dem Schaft nebeneinander angeordnet sind. Durch diese Maßnahme wird der Weg, den der flüssige Brennstoff zu der jeweiligen Brennstoffdüse zurücklegt, aufgespalten, so dass die Kühlwirkung des flüssigen Brennstoffes entsprechend über die Umfangsfläche verteilt wird. Dabei können beispielsweise die Abstände zwischen den einzelnen Brennstoffkanälen entsprechend zu dem Kühlungsbedarf an einer gegebenen Oberflächenstelle der Brennstofflanze gewählt werden.
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Jeder Brennstoffkanal kann einen Eingang und einen mit einer jeweiligen Brennstoffdüse verbundenen Ausgang besitzen. Die Eingänge können beispielsweise mit einer gemeinsamen Brennstoffzuleitung verbunden sein. Ein Weg des flüssigen Brennstoffs durch jeden Brennstoffkanal ist dabei länger als eine minimale Strecke zwischen dem Eingang und den Ausgang des jeweiligen Brennstoffkanals. Bei einer solchen Ausführungsform der Erfindung werden die Brennstoffkanäle also nicht über einen möglichst kurzen Weg, sondern bewusst über einen Umweg geführt, um die Strecke, entlang derer der flüssige Brennstoff Wärme aufnehmen kann, zu verlängern und dadurch die Kühlwirkung zu vergrößern.
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Besonders bevorzug winden sich dabei die Brennstoffkanäle zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang um die Längsachse der Brennstofflanze. Dies bietet den Vorteil, dass die Brennstoffkanäle bei geringem Abstand zu der Umfangsfläche des Schaftes über eine verhältnismäßig lange Strecke geführt werden können.
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Beispielsweise können die Brennstoffkanäle in wenigstens einem Abschnitt zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang helixförmig ausgestaltet sein. Durch eine solche Spiral- oder Schraubenform wird die Länge der Brennstoffkanäle vorteilhaft verlängert.
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Alternativ können die Brennstoffkanäle in wenigstens einem Abschnitt zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang mäanderförmig ausgestaltet sein.
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Ein zweiter Erfindungsaspekt führt einen Brenner, insbesondere einen Gasturbinenbrenner, mit einer Brennstofflanze gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ein.
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Kurzbeschreibung der Abbildungen
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine herkömmliche Brennstofflanze;
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2 eine Frontalansicht einer Brennstofflanze;
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3 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung;
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4 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung;
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5 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung;
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6 einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform der Erfindung; und
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7 eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Abbildungen
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten. Eine wiederholende Beschreibung derselben Komponenten wird aus Gründen der Übersichtlichkeit unterlassen. Die Erfindung wird dabei vorzugsweise anhand ihrer Unterschiede zu den Brennstofflanzen des Standes der Technik beschrieben, so dass dort, wo eine gesonderte Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung unterlassen wird, das zu den Brennstofflanzen des Standes der Technik Erläuterte auch für die Erfindung gilt.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine herkömmliche Brennstofflanze 1. Die Brennstofflanze 1 besitzt einen Schaft 4 und eine Spitze 7, an deren Ende eine Austrittsöffnung 3 eines Kühlluftkanals 12 angeordnet ist. Der Kühlluftkanal 12 kann als eine Mehrzahl von Kühlluftleitungen ausgeführt sein, von denen jede eine eigene Mündung in der Austrittsöffnung 3 besitzt. Die Spitze 7 verjüngt sich von dem Schaft 4 zu der Austrittsöffnung 3 hin. Auf einer Düsenfläche 9 der Spitze 7 sind mehrere Brennstoffdüsen 5 angeordnet, die über einen jeweiligen, als kurze Verbindungsbohrung ausgeführten Brennstoffkanal 11-1 beziehungsweise 11-2 mit einer gemeinsamen Brennstoffzuleitung 10 verbunden sind. Die Düsenfläche der Spitze 7 kann beispielsweise eine kegelstumpfförmige Außenform besitzen. Der Schaft 4 besitzt eine Umfangsfläche 8, die insbesondere eine zylinderförmige Außenform besitzen kann. Üblicherweise sind Brennstofflanzen 1 wenigstens im Bereich des Schaftes 4 und der Spitze 7 um eine Längsachse 2 rotationssymmetrisch ausgeführt. Es kann eine beliebige Mehrzahl von Brennstoffdüsen 5 vorgesehen sein, allerdings hat sich eine Anzahl von drei Brennstoffdüsen als guter Kompromiss zwischen der Verteilung des Brennstoffes durch die Brennstoffdüsen in der Brennkammer einerseits und der Komplexität des Aufbaus der Brennstofflanze erwiesen. Die Brennstoffdüsen 5 weisen jeweils zentral eine Düsenöffnung zum Zerstäuben und Ausströmen des flüssigen Brennstoffes auf.
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2 zeigt eine Frontalansicht einer Brennstofflanze 1. Die Brennstofflanze 1 der 2 kann sowohl gemäß dem Stand der Technik wie auch erfindungsgemäß ausgeführt sein. Um die Austrittsöffnung 3 des Kühlluftkanals 12 herum erstreckt sich die Düsenfläche 9, auf der die Brennstoffdüsen 5 angeordnet sind. Um die Brennstoffdüsen 5 herum können optional zusätzliche Kühlluftbohrungen 6 vorgesehen sein, durch die von dem Kühlluftkanal ausgehend ebenfalls verdichtete Luft ausströmen kann.
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3 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung. Im Unterschied zu der Brennstofflanze von 1 sind mehrere Brennstoffkanäle 11-1, 11-2 vorgesehen, die in dem Schaft 4 von der Längsachse 2 beabstandet angeordnet sind. Von der Brennstoffzuleitung 10 aus fließt im Betrieb der flüssige Brennstoff in Richtung der Brennstoffdüsen 5. Im Bereich des Schaftes 4 ergibt sich damit eine Flussrichtung, die in der Abbildung im Wesentlichen von links nach rechts verläuft und mit Pfeilen angedeutet ist. Eine Hauptrichtungskomponente dieser Flussrichtung des flüssigen Brennstoffes ist in den Brennstoffkanälen 11-1, 11-2 parallel zu der Längsachse 2 ausgerichtet. Das heißt, dass der flüssige Brennstoff nahe unter der Umfangsfläche 8 des Schaftes 4 durch den Schaft 4 hindurchgeführt wird, wodurch die Oberfläche des Schaftes 4 und damit auch die Brennstofflanze 1 abgekühlt wird.
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Der Querschnitt ist in den 4 bis 6 derart gewählt, dass die Längsachse 2 parallel zu einer Flächennormalen der Querschnittsfläche verläuft. Bei der zweiten Ausführungsform ist ein Abstand 13 zwischen der Längsachse 2 und einem Brennstoffkanal 11-1 größer als ein Abstand 14 zwischen dem Brennstoffkanal 11-1 und der Umfangsfläche 8. Durch diese Wahl der Abstände 13 und 14 wird eine gute Übertragung der in die Brennstofflanze 1 eingetragenen Wärme auf den flüssigen Brennstoff gewährleistet, wodurch ein guter Kühlungseffekt erzielt wird.
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5 zeigt einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung besitzen die Brennstoffkanäle 11-1, 11-2, 11-3 eine von einer Kreisform abweichende Form. Ein Durchmesser 15 in einer von der Längsachse 2 radialen Richtung 17 ist hier geringer als ein Durchmesser 16 in einer zu der Umfangsfläche tangentialen und zu der Längsachse senkrechten Richtung 18. Dadurch wird die Kontaktfläche zwischen dem in den Brennstoffkanal 11-1 fließenden flüssigen Brennstoff und der Umfangsfläche des Schaftes 4 vergrößert, was eine Aufnahme einer größeren Wärmemenge durch den flüssigen Brennstoff und einen entsprechend vergrößerten Kühleffekt verursacht.
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6 zeigt einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Brennstoffkanäle 11-1, 11-2, 11-3 jeweils in eine Mehrzahl von Brennstoffleitungen 19 aufgeteilt sind, die entlang der Umfangsfläche 8 nebeneinander angeordnet sind. Auch hierdurch wird die Kontaktfläche des in den Brennstoffkanälen 11-1, 11-2, 11-3 fließenden flüssigen Brennstoffes zu der Umfangsfläche 8 des Schaftes der Brennstofflanze 1 mit den für das dritte Ausführungsbeispiel beschriebenen Vorteilen vergrößert.
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7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform der Erfindung, bei der die Brennstoffkanäle 11-1, 11-2, 11-3 in einer Helix-, Spiral- oder Schraubenform von der Brennstoffzuleitung 10 zu den Brennstoffdüsen 5 geführt werden. Dabei kann jeder Brennstoffkanal 11-1, 11-2, 11-3 eine beliebige Anzahl von Windungen um die Längsachse 2 vollführen. Die Brennstoffkanäle 11-1, 11-2, 11-3 können auch eine einzelne Windung nur teilweise vollführen, beispielsweise zu einem sovielten Teil, wie Brennstoffdüsen 5 auf der Brennstofflanze 1 vorgesehen sind. Sind beispielsweise drei Brennstoffdüsen 5 vorgesehen, kann jeder Brennstoffkanal 11-1, 11-2, 11-3 dementsprechend eine Drittelwindung vollführen. Die Führung der Brennstoffkanäle 11-1, 11-2, 11-3 in einer Helix-, Spiral- oder Schraubenform besitzt den Vorteil, dass die Wegstrecke, die der flüssige Brennstoff in den Brennstoffkanälen 11-1, 11-2, 11-3 durch den Schaft 4 der Brennstofflanze 1 zurücklegt, verlängert wird, wodurch der flüssige Brennstoff eine größere Wärmemenge aufnehmen kann. Bei einer äquivalenten Ausführungsform der Erfindung, die nicht bildlich dargestellt wird, können die Brennstoffkanäle 11-1, 11-2, 11-3 mäanderförmig unter der Umfangsfläche 8 der Brennstofflanze 1 geführt sein.
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Die Erfindung bietet den Vorteil einer verbesserten Kühlung der Brennstofflanze, indem der flüssige Brennstoff zusätzlich als Kühlmedium verwendet wird. Durch die verbesserte Kühlung kann die Temperatur der Brennstofflanze im Betrieb gesenkt werden, wodurch die im Betrieb auftretenden Temperaturgradienten und mechanische Spannungen reduziert werden. Durch die geringeren mechanischen Spannungen wird der Gefahr einer Beschädigung der Brennstofflanze beispielsweise durch Risse begegnet, wodurch die Lebensdauer der Brennstofflanze verlängert wird.
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Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben wurde, sollen die Ausführungsbeispiele nicht als die Erfindung beschränkend angesehen werden. Vielmehr sind Abweichungen von den gezeigten Ausführungsbeispielen möglich, ohne den Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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