DE102014206139A1

DE102014206139A1 - Brennerkopf

Info

Publication number: DE102014206139A1
Application number: DE102014206139.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Böttcher; Olga Deiss; Thomas Grieb; Jens Kleinfeld; Boris Ferdinand Kock; Stefan Reich; Kai-Uwe Schildmacher; Julian Timmermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2015-10-01
Also published as: WO2015150089A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennerkopf (1) mit einem zentralen Gehäuse (2), einer sich in axialer Richtung durch das zentrale Gehäuse (2) erstreckenden Ölzuführleitung (3), die fluidtechnisch mit mehreren Ölaustrittsöffnungen (9) verbunden ist, einer beabstandet von dem zentralen Gehäuse (2) angeordneten und das zentrale Gehäuse (2) ringförmig umgebenden Kegelschürze (4), die gemeinsam mit dem zentralen Gehäuse (2) einen Ringkanal (5) definiert, und mehreren Leitschaufeln (6), die sich innerhalb des Ringkanals (5) zwischen dem zentralen Gehäuse (2) und der Kegelschürze (4) erstrecken und eine Drallbeschaufelung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölaustrittsöffnungen (9) mit radialem Abstand zum zentralen Gehäuse (2) über den Umfang des Brennerkopfes (1) verteilt angeordnet und über zumindest eine Ölverbindungsleitung (8) mit der Ölzuführleitung (3) verbunden sind. Ferner betrifft die Erfindung einen Brenner mit einem solchen Brennerkopf sowie eine Turbinenanordnung mit zumindest einem solchen Brenner.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennerkopf mit einem zentralen Gehäuse, einer sich in axialer Richtung durch das zentrale Gehäuse erstreckenden Ölzuführleitung, die fluidtechnisch mit mehreren Ölaustrittsöffnung verbunden ist, einer beabstandet von dem zentralen Gehäuse angeordneten und das zentrale Gehäuse ringförmig umgebenden Kegelschürze, die gemeinsam mit dem zentralen Gehäuse einen Ringkanal definiert, und mehreren Leitschaufeln, die sich innerhalb des Ringkanals zwischen dem zentralen Gehäuse und der Kegelschürze erstrecken und eine Drallbeschaufelung bilden. Ferner betrifft die Erfindung einen Brenner mit einem solchen Brennerkopf sowie eine Turbinenanordnung mit zumindest einem solchen Brenner.
Brenner und deren Brennerköpfe sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt. Sie werden in diversen Feuerungsanlagen eingesetzt, wie beispielsweise in Turbinenanordnungen oder dergleichen. Steigende Auflagen zur Reduktion von Schadstoffen erfordern eine stetige Verbesserung der Brennerkonstruktionen. So darf insbesondere der NOx-Anteil im Abgas obere Grenzwerte nicht überschreiten. Der NOx-Anteil im Abgas wird hauptsächlich durch das Mischungsverhältnis von Brennstoff und Luft, durch deren Durchmischungsgrad sowie durch den Ausnutzungsgrad der Verbrennung beeinflusst. Eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs ist hierbei anzustreben, um den Schadstoffanteil zu minimieren.
Beim Brennstoff Öl wird die zuvor genannte Durchmischung von Brennstoff und Luft im Wesentlichen durch die Geometrie und Ausrichtung der Brennstoffdüsen, über die das Öl zugeführt wird, und durch eine Verwirbelung der Verbrennungsluft beeinflusst, in die das Öl eingedüst wird. Die Brennstoffdüsen sind bei einer bekannten Brennerausgestaltung in Ölaustrittsöffnungen eingesetzt, die am freien Ende einer Öllanze ausgebildet sind, die sich in axialer Richtung mittig durch ein zentrales Gehäuse eines Brennerkopfes erstreckt und die Ölzuführleitung bildet. Zur Verwirbelung der Verbrennungsluft ist zum einen eine als Diagonalgitter bezeichnete Drallbeschaufelung vorgesehen, die in einem den Brennerkopf umgebenden Ringkanal des Brenners angeordnet ist, der von einem Großteil der Verbrennungsluft durchströmt wird. Zum anderen ist am Brennerkopf eine weitere, auch als Axialgitter bezeichneten Drallbeschaufelung angeordnet, durch welche die verbleibende Verbrennungsluft geleitet wird. Das Axialgitter wird durch eine das zentrale Gehäuse des Brennerkopfes ringförmig umgebende Kegelschürze, die gemeinsam mit dem zentralen Gehäuse einen Ringkanal definiert, sowie durch mehrere Leitschaufeln gebildet, die sich innerhalb des Ringkanals zwischen dem zentralen Gehäuse und der Kegelschürze erstrecken. Während des Betriebs wird Öl über die Öllanze zugeführt und über die am freien Ende der Öllanze vorgesehenen Brennstoffdüsen lokal und zentral im Bereich der Brennerlängsachse in die durch das Axialgitter und das Diagonalgitter in Drall versetzte Verbrennungsluft eingedüst, was zu einer Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft führt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennerkopf der eingangs genannten Art mit alternativem Aufbau zu schaffen, mit dem eine bessere Durchmischung von Öl und Verbrennungsluft realisierbar ist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen entsprechend verbesserten Brenner sowie eine entsprechend verbesserte Turbinenanordnung zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung einen Brennerkopf der eingangs genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ölaustrittsöffnungen mit radialem Abstand zum zentralen Gehäuse über den Umfang des Brennerkopfes verteilt angeordnet und über zumindest eine Ölverbindungsleitung mit der Ölzuführleitung verbunden sind. Auf diese Weise wird eine verteilte und dezentrale Öleindüsung in die Verbrennungsluft realisiert, was gegenüber einer lokalen und zentralen Öleindüsung zu einer besseren Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft führt.
Die zumindest eine Ölverbindungsleitung erstreckt sich bevorzugt durch eine Leitschaufel. Vorteilhaft sind mehrere Verbindungsleitungen vorgesehen, die sich gleichmäßig verteilt durch die Leitschaufeln erstrecken und die Ölaustrittsöffnungen mit der Ölzuführleitung verbinden.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mündet die zumindest eine Ölverbindungsleitung in einen radial auswärts der Kegelschürze vorgesehenen ringförmigen Ölverteilerkanal des Brennerkopfes, in dem die Ölaustrittsöffnungen umfänglich verteilt ausgebildet sind.
Die Ölaustrittsöffnungen sind bevorzugt derart ausgebildet, dass sie Öl im Wesentlichen in radialer und/oder im Wesentlichen in axialer Richtung abgeben. So können die Ölaustrittsöffnungen beispielsweise entlang der Außenumfangsfläche des Ölverteilerkanals und/oder entlang dessen ringförmiger Stirnfläche verteilt angeordnet sein.
Das zentrale Gehäuse, die Leitschaufeln und der Ölverteilerkanal sind vorteilhaft im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet. Auf diese Weise wird ein einfacher Aufbau erzielt.
Der Ölverteilerkanal ist gemäß einer Ausgestaltung als separates Bauteil hergestellt und mit den freien Enden der Leitschaufeln verschweißt. Eine derartige Anordnung lässt sich einfach herstellen und montieren.
Der Brennerkopf weist bevorzugt Brenngaszuführkanäle mit in den zwischen dem zentralen Gehäuse und der Kegelschürze definierten Ringkanal mündenden Brenngasaustrittsöffnungen auf. Ein solcher Brennerkopf kann dann wahlweise mit Brenngas oder mit Öl betrieben werden.
Bevorzugt erstrecken sich die Brenngaszuführkanäle zumindest teilweise durch die Leitschaufeln, wobei die Brenngasaustrittsöffnungen vorteilhaft zumindest teilweise in den Leitschaufeln ausgebildet sind. Auf diese Weise wird eine dezentrale und gut verteilte Brenngaszufuhr realisiert, was mit einer guten Durchmischung von Brenngas und Verbrennungsluft einhergeht.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Gaseintrittsöffnungen der Brenngaszuführkanäle am Außenumfang des zentralen Gehäuses angeordnet. Entsprechend wird das Brenngas über den Außenumfang des zentralen Gehäuses und nicht durch das zentrale Gehäuse hindurch zugeführt. Eine solche Anordnung ist dahingehend von Vorteil, dass auf eine Öllanze vollständig verzichtet werden kann, da ausschließlich Öl durch den zentralen Hohlraum des Gehäuses geleitet wird.
Vorteilhaft sind die Ölaustrittsöffnungen und/oder die Brenngasaustrittsöffnungen zumindest teilweise mit Brennstoffdüsen versehen.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ferner einen Brenner mit einem erfindungsgemäßen Brennerkopf.
Darüber hinaus schafft die vorliegende Erfindung eine Turbinenanordnung mit zumindest einem erfindungsgemäßen Brenner.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Brennerkopfes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
1 eine schematische Querschnittansicht eines Brennerkopfes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Brennerkopfes, bei dem Ölaustrittsöffnungen gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Variante positioniert sind; und
3 eine perspektivische Darstellung des in 1 dargestellten Brennerkopfes, bei dem Ölaustrittsöffnungen gemäß einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung positioniert sind.
Der Brennerkopf 1 bildet einen Teil eines nicht näher dargestellten Brenners für eine Feuerungsanlage, beispielsweise für eine Feuerungsanlage einer Turbinenanordnung. Der Brennerkopf 1 umfasst ein zentrales Gehäuse 2, das mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden und einseitig offen ausgebildeten Hohlraum versehen ist, der eine Ölzuführleitung 3 definiert. Beabstandet von dem zentralen Gehäuse 2 ist eine Kegelschürze 4 vorgesehen, die das zentrale Gehäuse 2 ringförmig umgibt und gemeinsam mit diesem einen Ringkanal 5 definiert. Zwischen dem zentralen Gehäuse 2 und der Kegelschürze 4 erstrecken sich innerhalb des Ringkanals 5 mehrere Leitschaufeln 6, die in bekannter Weise eine auch als Axialgitter bezeichnete Drallbeschaufelung bilden. Radial auswärts der Kegelschürze 4 ist ein ringförmiger Ölverteilerkanal 7 vorgesehen, der über sich durch die einzelnen Leitschaufeln 6 erstreckende Ölverbindungsleitungen 8 mit der im zentralen Gehäuse 2 vorgesehenen Ölzuführleitung 3 verbunden ist. Der Ölverteilerkanal 7 weist verteilt über dessen Umfang eine Vielzahl von Ölaustrittsöffnungen 9 auf, über die dem Ölverteilerkanal 7 über die Ölzuführleitung 3 und die Ölverbindungsleitung 8 zugeführtes Öl abgegeben wird. Die Ölaustrittsöffnungen 9 sind jeweils mit Brennstoffdüsen versehen, auch wenn dies vorliegend nicht im Detail dargestellt ist.
Der Brennerkopf 1 umfasst ferner Brenngaszuführkanäle 10, die sich durch die Wandung des zentralen Gehäuses 2 sowie durch die Leitschaufeln 6 erstrecken. Die Brenngaseintrittsöffnungen 11 sind jeweils an einer Stirnseite eines radial auswärts vorstehenden Ringabsatzes 12 des zentralen Gehäuses 2 angeordnet. Die Brenngasaustrittsöffnungen 13 sind in denjenigen Abschnitten der Brenngaszuführkanäle 10 vorgesehen, die sich durch die Leitschaufeln 6 erstrecken.
Das zentrale Gehäuse 2 und die Leitschaufeln 6 sind bei der dargestellten Ausführungsform des Brennerkopfes 1 einteilig ausgebildet. Der Ölverteilerkanal 7, dessen Innenumfangsfläche die Kegelschürze 4 definiert, ist als separates Bauteil hergestellt und mit den freien Enden der Leitschaufeln 6 stoffschlüssig verbunden. Es sollte allerdings klar sein, dass der Brennerkopf 1 grundsätzlich auch auf andere Art und Weise hergestellt sein kann.
Die 2 und 3 zeigen mögliche Anordnungsvarianten der Ölaustrittsöffnungen 9. Bei der in 2 dargestellten Variante sind die Ölaustrittsöffnungen 9 umfänglich verteilt an der Außenumfangsfläche 14 des Ölverteilerkanals 7 vorgesehen, so dass sie Öl im Wesentlichen in radialer Richtung abgeben. Bei der in 3 dargestellten Variante sind die Ölaustrittsöffnungen 9 an der ring-förmigen Stirnfläche 15 des Ölverteilerkanals 7 positioniert, so dass sie Öl im Wesentlichen in axialer Richtung abgeben. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass Ölaustrittsöffnungen 9 sowohl an der Außenumfangsfläche 14 als auch an der Stirnfläche 15 des Ölverteilerkanals 7 vorgesehen sind.
Während eines Betriebs, bei dem Öl als Brennstoff eingesetzt wird, wird dem Brennerkopf 1 über die Ölzuführleitung 3 Öl zugeführt, das über die Ölverbindungsleitungen 8 in den Ölverteilerkanal 7 gelangt. Von dort wird das Öl dann durch die Ölaustrittsöffnungen 9 in die verwirbelte Verbrennungsluft eingedüst, die zuvor das im Brennerkopf 1 angeordnete Axialgitter oder das vorliegend nicht näher dargestellte Diagonalgitter des Brenners passiert hat. Das Öl wird dabei gleichmäßig verteilt und dezentral an die verwirbelte Verbrennungsluft abgegeben, wodurch eine sehr gute Durchmischung erzielt wird.
Wird der Brenner alternativ mit Brenngas betrieben, so wird das Brenngas über die Brenngaszuführkanäle 6 zugeführt und durch die Brenngasaustrittsöffnungen 13 in den Ringkanal 5 abgegeben, wo es mit der den Ringkanal 5 passierenden Verbrennungsluft gemischt wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Brennerkopf (1) mit einem zentralen Gehäuse (2), einer sich in axialer Richtung durch das zentrale Gehäuse (2) erstreckenden Ölzuführleitung (3), die fluidtechnisch mit mehreren Ölaustrittsöffnungen (9) verbunden ist, einer beabstandet von dem zentralen Gehäuse (2) angeordneten und das zentrale Gehäuse (2) ringförmig umgebenden Kegelschürze (4), die gemeinsam mit dem zentralen Gehäuse (2) einen Ringkanal (5) definiert, und mehreren Leitschaufeln (6), die sich innerhalb des Ringkanals (5) zwischen dem zentralen Gehäuse (2) und der Kegelschürze (4) erstrecken und eine Drallbeschaufelung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölaustrittsöffnungen (9) mit radialem Abstand zum zentralen Gehäuse (2) über den Umfang des Brennerkopfes (1) verteilt angeordnet und über zumindest eine Ölverbindungsleitung (8) mit der Ölzuführleitung (3) verbunden sind.
Brennerkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zumindest eine Ölverbindungsleitung (8) durch eine Leitschaufel (6) erstreckt.
Brennerkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Ölverbindungsleitung (8) in einen radial auswärts der Kegelschürze (4) vorgesehenen ringförmigen Ölverteilerkanal (7) mündet, in dem die Ölaustrittsöffnungen (9) umfänglich verteilt ausgebildet sind.
Brennkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölaustrittsöffnungen (9) derart ausgebildet sind, dass sie Öl im Wesentlichen in radialer und/oder im Wesentlichen in axialer Richtung abgeben.
Brennerkopf (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Gehäuse (2), die Leitschaufeln (6) und der Ölverteilerkanal (7) im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Brennerkopf (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölverteilerkanal (7) als separates Bauteil hergestellt und mit den freien Enden der Leitschaufeln (6) verschweißt ist.
Brennerkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Brenngaszuführkanäle (10) mit in den zwischen dem zentralen Gehäuse (2) und der Kegelschürze (4) definierten Ringkanal (5) mündenden Brenngasaustrittsöffnungen (13) aufweist.
Brennerkopf (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brenngaszuführkanäle (10) zumindest teilweise durch die Leitschaufeln (6) erstrecken.
Brennerkopf (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenngasaustrittsöffnungen (13) zumindest teilweise in den Leitschaufeln (6) ausgebildet sind.
Brennerkopf (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenngaseintrittsöffnungen (11) der Brenngaszuführkanäle (10) am Außenumfang des zentralen Gehäuses (2) angeordnet sind.
Brennkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölaustrittsöffnungen (9) und/oder die Brenngasaustrittsöffnungen (13) zumindest teilweise mit Brennstoffdüsen versehen sind.
Brenner mit einem Brennerkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Turbinenanordnung mit zumindest einem Brenner nach Anspruch 12.