DE102015206227A1

DE102015206227A1 - Brenneranordnung

Info

Publication number: DE102015206227A1
Application number: DE102015206227.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Böttcher; Tobias Krieger; Patrick Lapp; Andreas Mann; Simon Purschke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-04-08
Filing date: 2015-04-08
Publication date: 2016-10-13
Also published as: RU2669439C1; WO2016162248A1; CN107429918B; EP3250857A1; EP3250857B1; CN107429918A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung (1) für eine Brennkammer, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, zum Verfeuern fluidischer Brennstoffe, mit einem Hauptbrenner (2) und einem zentral darin angeordneten Pilotbrenner (3), der zum Zünden und/oder zum Stabilisieren der Verbrennung des Hauptbrenners (2) dient, der Hauptbrenner (2) umfassend einen ersten Ringluftkanal (4) zur Zuführung von Verbrennungsluft und erste Brennstoffdüsen (5) zum Eindüsen eines Brennstoffs in den ersten Ringluftkanal (4), der Pilotbrenner (3) umfassend einen zweiten Ringluftkanal (6) zur Zuführung von Verbrennungsluft und einem Brennerkopf (7) mit zweiten Brennstoffdüsen (8) zum Eindüsen eines Brennstoffs in den zweiten Ringluftkanal (6), wobei die zweiten Brennstoffdüsen (8) als getrennt ansteuerbare erste und zweite Brennstoffstufen (9, 10) vorgesehen sind, wobei zum Zuführen von Brennstoff zu den ersten und zweiten Brennstoffstufen (9, 10) ein an den Brennerkopf (7) anschließendes Brennerträgerrohr (11) mit einer Rohrwand (12) vorgesehen ist, und dass die Rohrwand (12) parallel zur Längsachse (13) des Brennerträgerrohres (11) mindestens eine erste und eine zweite Tieflochbohrung (14, 15) für die Versorgung der ersten und zweiten Brennstoffstufen (9, 10) mit Brennstoff aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung für eine Brennkammer, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, zum Verfeuern fluidischer Brennstoffe.
Gasturbinen sind in Ihrer Verfügbarkeit hauptsächlich durch Problemstellungen im Verbrennungssystem limitiert. Diese Probleme sind im speziellen das Überschreiten von Emissionsgrenzwerten (NOx und CO) sowie das Brummverhalten, verursacht durch thermoakustische Schwingungen im Bereich der Brennkammer. Um die Emissionen unter Grenzwertbereichen zu halten und das Brummverhalten der Maschine zu unterdrücken, bedarf es einer sehr guten Einstellung (Tuning) der veränderbaren Verbrennungsparameter.
Bei einem Brenner mit beispielsweise Hauptvormischbrenner und Pilotvormischbrenner sind dies in erster Linie die Brennstoffmassenströme des Hauptvormischbrenners sowie des Pilotvormischbrenners. Dabei gehen je nach Einstellung ca. 90%–95% des Brennstoffmassenstroms durch den Hauptvormischbrenner, der Rest durch den Pilotvormischbrenner. Es ist bekannt dass eine Änderung (schon im Prozentbereich) des Pilotgasmassenstroms einen nennenswerten Einfluss auf Emissionen und auf das Brummverhalten hat. Jedoch ist eine solche Regelung durch eine einzige Brennstoffstufe im Pilotvormischbrenner begrenzt.
Bisher muss daher vor dem reibungslosen Betrieb der Gasturbine in der Inbetriebnahmephase aufwändig getuned werden. Durch die wenigen Einstellmöglichkeiten an Haupt- und Pilotbrenner müssen so aufwändig enge Korridore durchfahren werden, die durch Emissionen und Stabilität begrenzt sind. Oft müssen hier Kompromisse zwischen stabiler Fahrweise und geringen Emissionen eingegangen werden.
Um hier Abhilfe zu schaffen, kann eine zweite vorgemischte Brennstoffstufe in den Pilotbrenner integriert werden. Diese Stufe muss dann auch über eine eigene Brennstoffzufuhr und einen eigenen Brennstoffkanal versorgt werden.
Durch diese Ausführung können beide Stufen unabhängig voneinander gesteuert werden. Beispielsweise können beide Pilotbrennstoffstufen in Pilotbrennerschaufeln integriert sein, um für beide Stufen eine gute Durchmischung von Brennstoff und Luft zu ermöglichen. Durch geschickte Wahl des Bohrungsmusters kann so die radiale Brennstoffverteilung aktiv im Betrieb beeinflusst werden und somit Einfluss auf Emissionen und Verbrennungsstabilität genommen werden. Hierdurch ist es möglich, die Korridore, durch die beim An- und Abfahren der Maschine manövriert werden muss, zu erweitern und das Emissions- und Stabilitätsverhalten, vor allem im Teillastbereich, kann verbessert werden.
Die WO 2014/114533 A1 offenbart beispielsweise eine Brenneranordnung mit einer auf der Achse der Brenneranordnung liegenden Diffusionsgaspassage. Diese Passage könnte beispielsweise durch eine Rohr-in-Rohr-Konstruktion für die Brennstoffzufuhr einer zweiten Stufe im Pilotbrenner genutzt werden. Allerdings müsste dann aufgrund der zu erwartenden unterschiedlichen thermischen Dehnungen der Bauteile die Rohr-in-Rohr-Konstruktion durch einen aufwändigen und daher auch vergleichsweise teuren Kompensator entlastet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brenneranordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine beträchtliche Verbesserung hinsichtlich Emissionen und Stabilität ermöglicht und die zugleich möglichst einfach und kostengünstig herzustellen und zu montieren ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie bei einer derartigen Brenneranordnung für eine Brennkammer, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, zum Verfeuern fluidischer Brennstoffe, mit einem Hauptbrenner und einem zentral darin angeordneten Pilotbrenner, der zum Zünden und/oder zum Stabilisieren der Verbrennung des Hauptbrenners dient, der Hauptbrenner umfassend einen ersten Ringluftkanal zur Zuführung von Verbrennungsluft und erste Brennstoffdüsen zum Eindüsen eines Brennstoffs in den ersten Ringluftkanal, der Pilotbrenner umfassend einen zweiten Ringluftkanal zur Zuführung von Verbrennungsluft und einem Brennerkopf mit zweiten Brennstoffdüsen zum Eindüsen eines Brennstoffs in den zweiten Ringluftkanal, wobei die zweiten Brennstoffdüsen als getrennt ansteuerbare erste und zweite Brennstoffstufen vorgesehen sind, zum Zuführen von Brennstoff zu den ersten und zweiten Brennstoffstufen ein an den Brennerkopf anschließendes Brennerträgerrohr mit einer Rohrwand vorsieht, wobei die Rohrwand mindestens eine erste und eine zweite parallel zur Längsachse des Brennerträgerrohres verlaufende Tieflochbohrung für die Versorgung der ersten und zweiten Brennstoffstufen mit Brennstoff aufweist.
Hierdurch wird das Emissions- und Stabilitätsverhalten der Brenneranordnung verbessert und es kann auf die vergleichsweise aufwändige und teure Rohr-in-Rohr-Konstruktion mit Kompensator verzichtet werden.
Zweckmäßigerweise sind die erste und zweite Tieflochbohrung auf unterschiedlichen Radien bezogen auf die Längsachse des Brennerträgerrohres in der Rohrwand angeordnet, so dass Brennstoff direkt über gerade Bohrungen einer jeweiligen Brennstoffstufe zugeführt werden kann. Die Herstellung solcher Bohrungen ist vergleichsweise kostengünstig.
In einer vorteilhaften Ausführungsform münden die mindestens eine erste und eine zweite Tieflochbohrung in je einen Brennstoffverteilerkanal einer Brennstoffstufe. So kann die Anzahl der Tieflochbohrungen kleiner sein, als die Anzahl der Brennstoffdüsen je Brennstoffstufe.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn das Brennerträgerrohr auf seiner Achse eine Diffusionsgaspassage aufweist, die ebenfalls in den Brennerkopf mündet, so dass auch ein Diffusionsbetrieb möglich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Brennerträgerrohr in Strömungsrichtung eines Brennstoffs stromauf des Brennerkopfes mit einer Trägerplatte verbunden, wobei die Trägerplatte Brennstoffringverteiler aufweist, von denen die mindestens eine erste und eine zweite Tieflochbohrung abzweigen.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Trägerplatte Brennstoffanschlüsse aufweist, die in die Brennstoffringverteiler münden.
Im Hinblick auf eingeschränkte Platzverhältnisse ist es vorteilhaft, wenn ein Brennstoffanschluss über einen Einschraubverbinder mit durchgehender Bohrung und im Wesentlichen radialen Öffnungen im Außengewinde erfolgt, wobei im eingeschraubten Zustand die radialen Öffnungen auf Höhe eines Brennstoffringverteilers zu liegen kommen. Dadurch wird auch bei vergleichsweise dicht unter der Oberfläche der Trägerplatte liegenden Brennstoffringverteilern sichergestellt, dass der Einschraubverbinder ausreichend tief in die Trägerplatte eingeschraubt werden kann, um eine sichere Verbindung herzustellen.
Weiterhin ist es im Hinblick auf eine gute Durchmischung von Brennstoff und Luft vorteilhaft, wenn der erste Ringluftkanal erste Drallschaufeln aufweist und die ersten Brennstoffdüsen in den ersten Drallschaufeln angeordnet sind.
Ebenso gilt dies für den zweiten Ringluftkanal, der vorteilhafterweise zweite Drallschaufeln aufweist, wobei die zweiten Brennstoffdüsen in den zweiten Drallschaufeln angeordnet sind.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
1 eine Brenneranordnung,
2 einen bekannten Pilotbrenner,
3 ein stromabwärtiges Detail des Pilotbrenners aus 2,
4 ein stromaufwärtiges Detail des Pilotbrenners aus 2,
5 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Brenneranordnung den Innenkanal zeigend,
6 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Brenneranordnung den Außenkanal zeigend,
7 eine Seitenansicht auf das stromabwärtige Ende des Brennerträgerrohrs der Brenneranordnung,
8 einen Schnitt durch Trägerplatte und Außenkanal des Brennerträgerrohrs,
9 einen Schnitt durch Trägerplatte und Anschluss für den Außenkanal sowie durch den Innenkanal des Brennerträgerrohrs,
10 eine Seitenansicht auf einen Schnitt durch die Trägerplatte mit Anschluss für den Innenkanal,
11 einen Einschraubverbinder mit durchgehender Bohrung und radialen Öffnungen im Außengewinde in der Draufsicht,
12 einen Einschraubverbinder mit durchgehender Bohrung und radialen Öffnungen im Außengewinde im Schnitt,
13 eine Detailsicht auf den Brennerkopf mit Übergang zum Brennerträgerrohr und
14 eine Schrägansicht der stromaufwärtigen Seite des Brennerkopfes.
Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft einen Schnitt durch einen Teil einer Brenneranordnung 1 nach der Erfindung. Die Brenneranordnung 1 ist im Wesentlichen radialsymmetrisch um die Längsachse 13 und umfasst einen Hauptbrenner 2 sowie einen zentral darin angeordneten Pilotbrenner 3, der zum Zünden und/oder Stabilisieren der Verbrennung des Hauptbrenners 2 dient.
Der Hauptbrenner 2 umfasst einen ersten Ringluftkanal 4 zur Zuführung von Verbrennungsluft und erste Brennstoffdüsen 5 zum Eindüsen eines Brennstoffs in den ersten Ringluftkanal 4. Der Pilotbrenner 3 umfasst einen zweiten Ringluftkanal 6 zur Zuführung von Verbrennungsluft und zweite Brennstoffdüsen 8 zum Eindüsen eines Brennstoffs in den zweiten Ringluftkanal 6.
Die zweiten Brennstoffdüsen 8 sind als erste und zweite Brennstoffstufen 9, 10 vorgesehen, wobei jede Brennstoffstufe 9, 10 eine eigene Brennstoffzufuhr aufweist.
In der Brenneranordnung 1 der 1 weist der erste Ringluftkanal 4 erste Drallschaufeln 30 auf, in denen die ersten Brennstoffdüsen 5 angeordnet sind.
Weiterhin weist in der Brenneranordnung 1 der 1 der zweite Ringluftkanal 6 zweite Drallschaufeln 31 auf. In den zweiten Drallschaufeln 31 sind die zweiten Brennstoffdüsen 8 angeordnet, die sich, wie bereits ausgeführt, in eine erste und eine zweite Brennstoffstufe 9, 10 aufteilen.
2 zeigt einen bekannten Pilotbrenner 32 mit einer zentralen Diffusionsgaspassage 20, in der ein Rohr 33 angeordnet ist, wobei zwischen einer Innenwand 34 der Diffusionsgaspassage 20 und einer Rohraußenwand 35 ein Ringkanal 36 für die Brennstoffzufuhr zur zweiten Brennstoffstufe 10 gebildet ist. Diese Rohr-in-Rohr-Konstruktion wird durch einen Kompensator 37 entlastet.
3 zeigt ein stromabwärtiges Detail des Pilotbrenners 3 aus 2, insbesondere den Pilotbrennerkopf 7 mit der Brennstoffzufuhr für die erste und zweite Brennstoffstufe 9, 10.
4 zeigt ein stromaufwärtiges Detail des Pilotbrenners 3 aus 2, insbesondere den Kompensator 37 der Rohr-in-Rohr-Konstruktion.
In den 5 und 6 ist der erfindungsgemäße Pilotbrenner 3 in unterschiedlichen Schnittebenen gezeigt. In 5 verläuft der Schnitt durch zweite Tieflochbohrungen 15, die den Innenkanal 38 darstellen, in 6 ist die entsprechende Ansicht mit ersten Tieflochbohrungen 14 für den Außenkanal 39. Man erkennt, dass die erste und zweite Tieflochbohrung 14, 15 auf unterschiedlichen Radien 16, 17 bezogen auf die Längsachse 13 des Brennerträgerrohres 11 in der Rohrwand 12 angeordnet sind. Ferner zeigen die 5 und 6, dass die mindestens eine erste und eine zweite Tieflochbohrung 14, 15 in je einen Brennstoffverteilerkanal 18, 19 einer Brennstoffstufe 9, 10 münden.
7 zeigt eine Seitenansicht auf das stromabwärtige Ende des Brennerträgerrohrs 11 der Brenneranordnung 1. Man erkennt die Enden der ersten und zweiten Tieflochbohrungen 14, 15 von Innen- und Außenkanal 38, 39.
Die 8, 9 und 10 zeigen geschnittene Detailansichten im Bereich der Trägerplatte 21 des Pilotbrenners 3.
Insbesondere zeigt die 8 einen Schnitt durch die Trägerplatte 21 mit dem ersten und zweiten Brennstoffringverteiler 22, 23 sowie den durch Tieflochbohrungen 14 gebildeten Außenkanal 39 in der Rohrwand 12 des Brennerträgerrohrs 11.
Die 9 zeigt einen Schnitt durch die Trägerplatte 21 mit dem ersten und zweiten Brennstoffringverteiler 22, 23 sowie den durch Tieflochbohrungen 15 gebildeten Innenkanal 38 in der Rohrwand 12 des Brennerträgerrohrs 11. Ferner zeigt 9 einen Schnitt durch den ernsten Brennstoffanschluss 24 zum ersten Brennstoffringverteiler 22 für den Außenkanal 39.
Die 10 zeigt schließlich einen Schnitt durch die Trägerplatte 21 mit dem zweiten Brennstoffanschluss 25 zum zweiten Brennstoffringverteiler 23 für den Innenkanal 38. Dabei ist in der 10 erkennbar, dass der zweite Brennstoffringverteiler 23 für den Innenkanal 38 vergleichsweise dicht unter der Oberfläche der Trägerplatte 21 liegt. Um eine mechanisch zuverlässige Brennstoffzufuhr sicherzustellen, ist der Brennstoffanschluss 25 über einen Einschraubverbinder 26 mit durchgehender Bohrung 27 und im Wesentlichen radialen Öffnungen 28 im Außengewinde 29 realisiert. Die 11 und 12 zeigen einen solchen Einschraubverbinder 26 in der Draufsicht und im Schnitt.
13 zeigt eine Detailsicht auf den Brennerkopf 7 mit Übergang zum Brennerträgerrohr 11. Der Brennerkopf 7, der in der 14 in der Schrägansicht gezeigt ist, ist derselbe wie in 3. Nach der Erfindung ist lediglich das Brennerträgerrohr 11 verändert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/114533 A1 [0007]

Claims

Brenneranordnung (1) für eine Brennkammer, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, zum Verfeuern fluidischer Brennstoffe, mit einem Hauptbrenner (2) und einem zentral darin angeordneten Pilotbrenner (3), der zum Zünden und/oder zum Stabilisieren der Verbrennung des Hauptbrenners (2) dient, der Hauptbrenner (2) umfassend einen ersten Ringluftkanal (4) zur Zuführung von Verbrennungsluft und erste Brennstoffdüsen (5) zum Eindüsen eines Brennstoffs in den ersten Ringluftkanal (4), der Pilotbrenner (3) umfassend einen zweiten Ringluftkanal (6) zur Zuführung von Verbrennungsluft und einem Brennerkopf (7) mit zweiten Brennstoffdüsen (8) zum Eindüsen eines Brennstoffs in den zweiten Ringluftkanal (6), wobei die zweiten Brennstoffdüsen (8) als getrennt ansteuerbare erste und zweite Brennstoffstufen (9, 10) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zuführen von Brennstoff zu den ersten und zweiten Brennstoffstufen (9, 10) ein an den Brennerkopf (7) anschließendes Brennerträgerrohr (11) mit einer Rohrwand (12) vorgesehen ist, und dass die Rohrwand (12) parallel zur Längsachse (13) des Brennerträgerrohres (11) mindestens eine erste und eine zweite Tieflochbohrung (14, 15) für die Versorgung der ersten und zweiten Brennstoffstufen (9, 10) mit Brennstoff aufweist.
Brenneranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Tieflochbohrung (14, 15) auf unterschiedlichen Radien (16, 17) bezogen auf die Längsachse (13) des Brennerträgerrohres (11) in der Rohrwand (12) angeordnet sind.
Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine erste und eine zweite Tieflochbohrung (14, 15) in je einen Brennstoffverteilerkanal (18, 19) einer Brennstoffstufe (9, 10) münden.
Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Brennerträgerrohr (11) auf seiner Achse (13) eine Diffusionsgaspassage (20) aufweist, die ebenfalls in den Brennerkopf (7) mündet.
Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Brennerträgerrohr (11) in Strömungsrichtung eines Brennstoffs stromauf des Brennerkopfes (7) mit einer Trägerplatte (21) verbunden ist, wobei die Trägerplatte (21) Brennstoffringverteiler (22, 23) aufweist, von denen die mindestens eine erste und eine zweite Tieflochbohrung (14, 15) abzweigen.
Brenneranordnung (1) nach Anspruch 5, wobei die Trägerplatte (21) Brennstoffanschlüsse (24, 25) aufweist, die in die Brennstoffringverteiler (22, 23) münden.
Brenneranordnung (1) nach Anspruch 6, wobei ein Brennstoffanschluss (25) über einen Einschraubverbinder (26) mit durchgehender Bohrung (27) und im Wesentlichen radialen Öffnungen (28) im Außengewinde (29) erfolgt, wobei im eingeschraubten Zustand die radialen Öffnungen (28) auf Höhe eines Brennstoffringverteilers (23) zu liegen kommen.
Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Ringluftkanal (4) erste Drallschaufeln (30) aufweist und die ersten Brennstoffdüsen (5) in den ersten Drallschaufeln (30) angeordnet sind.
Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Ringluftkanal (6) zweite Drallschaufeln (31) aufweist und die zweiten Brennstoffdüsen (8) in den zweiten Drallschaufeln (31) angeordnet sind.