DE10345137B4

DE10345137B4 - Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffeinspritzvorrichtung sowie eine Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10345137B4
Application number: DE2003145137
Authority: DE
Inventors: Stefano Bernero; Christian Jörg Motz; Christian Oliver Paschereit; Ernst Vogt; Martin Zajadatz
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: DE10345137A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffeinspritzvorrichtung (10, 30, 40), insbesondere in Gasturbinen, bei welchem Verfahren ein gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff (PG bzw. OL) zusammen mit einem unterstützenden oder abschirmenden Abschirmluftstrom (AR) durch die Brennstoffeinspritzvorrichtung (10, 30, 40) in eine Brennkammer eingedüst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschirmluftstrom zur Sicherstellung einer stabilen und/oder emissionsarmen Verbrennung unter Ausnutzung der sich ändernden Temperaturverhältnisse in der Brennstoffeinspritzvorrichtung (10, 30, 40) dem jeweiligen Betriebszustand automatisch angepasst wird, und dass zur automatischen Anpassung des Abschirmluftstromes die thermische Ausdehnung und/oder thermisch bedingte Formänderung bestimmter Teile (16, 23) der Brennstoffeinspritzvorrichtung (10, 30, 40) ausgenutzt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Brennertechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffeinspritzvorrichtung sowie eine Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Beim Verbrennungsverhalten von Brennern, insbesondere für Gasturbinen, die unter mageren Vormischbedingungen betrieben werden, ist die Flammenstabilisierung üblicherweise eine entscheidende Grösse, welche die Lebensdauer der Bauteile und/oder die erreichbaren Emissionswerte begrenzen kann. Die bevorzugte Methode der Flammenstabilisierung ist eine aerodynamische, am häufigsten mittels einer Drallströmung. Um die gasförmige Brennstoffmischung zu verbessern und damit die Emissionen zu reduzieren, um die Herstellung von Sprühstrahlen eines Flüssigbrennstoffs zu unterstützen, oder um die Überhitzung von Bauteilen und/oder die Brennstoffrückströmungen zwischen unterschiedlichen gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffsystemen zu verhindern, wird häufig eine bestimmte Menge Luft als unterstützende oder Abschirmluft nahe der Brennerachse eingedüst.
Da die gesamte Strömung in drallstabilisierten Brennern ausserordentlich empfindlich auf Änderungen des Strömungsfeldes in ihrer Kernregion reagiert, kann der in Achsennähe eingedüste Luftstrom einen starken Einfluss auf das Pulsationsverhalten und/oder die Emissionen des Verbrennungssystems haben. Der Nennmassenstrom des Luftstromes wird üblicherweise dadurch bestimmt, dass das Verbrennungsverhalten optimiert und gleichzeitig die o. g. Anforderungen erfüllt werden. Das Optimum kann häufig nur für bestimmte Betriebsbedingungen erreicht werden. Wenn von diesen Bedingungen abgewichen wird, oder wenn im Falle von für flüssige und gasförmige Brennstoffe geeigneten („dual fuel”) Brennern zwischen den Brennstoffarten umgeschaltet wird, kann sich das Verbrennungsverhalten verschlechtern. Die endgültige Konfiguration ist dann im allgemeinen ein Kompromiss zwischen den verschiedenen Bedürfnissen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen.
Ein typisches Beispiel für sich widersprechende Anforderungen stellen die Öleinspritzvorrichtungen mit Unterstützungsluft bei „dual fuel”-Verbrennungssystemen dar: Beim Gasbetrieb wird eine bestimmte Menge Luft benötigt, um das Gebiet der Flammenstabilisierung weit genug stromabwärts von der Einspritzvorrichtung zu halten. Dies hilft, die Einspritzvorrichtung vor möglichen Flammenrückschlägen zu schützen und durch eine verbesserte Brennstoffvormischung die Emissionen zu reduzieren, da die Mischstrecke zwischen dem Einspritzpunkt und der Flammenfront vergrössert wird. Beim Betrieb mit flüssigem Brennstoff (Öl) beeinflusst der Luftstrom, der die Einspritzvorrichtung umströmt, stark die Bildung der Sprühstrahlen, und damit letztendlich das Verbrennungsverhalten. Dies kann möglicherweise zu einer instabilen Verbrennung und starken Pulsationen führen, und somit zur Reduktion der Lebensdauer der Bauteile beitragen.
Ein weiteres Beispiel, das auch auf rein gasbetriebene Verbrennungssysteme anwendbar ist, ist das unterschiedliche Verbrennungsverhalten, das im Unterschied zum Lastbetrieb während des Anfahrens und Aufladens der Gasturbine benötigt wird. Für das Anfahren und den unteren Lastbereich ist die Flammenstabilität das Hauptziel der Auslegung, da das Verbrennungssystem starken Änderungen in den Betriebsbedingungen unterworfen ist und eine gute Flammenstabilität einen sicheren Betrieb im Übergangsbereich ermöglicht. Für den oberen Lastbereich, in dem die Maschine die meiste Zeit betrieben wird, sind dagegen die NOx-Emissionen das Hauptziel der Auslegung. Durch eine Erhöhung der Luftmenge, die in Achsennähe eingedüst wird, ist es möglich, die Zone des Wirbelzusammenbruchs (und der Flammenstabilisierung) stromabwärts zu verschieben. Dies hilft bei der Erfüllung der Emissionsziele, beeinflusst jedoch negativ die Flammenstabilität, so dass auch hier einander widersprechende Auslegungsziele vorliegen.
Aus der JP-A2-54057231 ist eine automatische Steuerung der Luftzufuhr für einen Brenner mittels Bimetallelementen bekannt, bei der die Luftzufuhr der thermischen Leistung des Brenners angepasst wird.
Aus der EP-A1-0 643 264 ist ein Verfahren zur Regulierung der Flammengüte eines atmosphärischen Gasbrenners bekannt, bei dem der Volumenstrom der Primärluft mittels eines Bimetallelements in Abhängigkeit von der im Bereich der Brennerfläche herrschenden Brennraumtemperatur zwischen einem vorgegebenen Mindestvolumenstrom und einem Maximalvolumenstrom verändert wird. Hierdurch wird eine automatische Anpassung an wechselnde Gasbeschaffenheiten möglich.
Aus der Druckschrift US 4,606,190 A ist eine einer Einspritzdüsen-Leitschaufelanordnung für eine Gasturbine bekannt, bei der primäre und sekundäre Turbulatoren vorgesehen sind, wobei die primären Turbulatoren fortlaufend verdichtete Luft um die Einspritzdüsen herum abgeben, während die sekundären Turbulatoren nur dann verdichtete Luft abgeben, wenn die Einlasstemperatur einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Für diese Umschaltung sind spezielle temperaturempfindliche oder druckempfindliche Ventilelemente vorgesehen.
Aus der Druckschrift US 3,057,158 A ist eine temperaturempfindliche Drosselung für die Zufuhr von Kühlluft zur Kühlung der Innenseite des Flammenrohres einer Gasturbine bekannt. Durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung eines Abschnittes der Flammenrohrwand wird ein ringförmiger Durchlassquerschnitt für die Kühlluft verändert, um bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen möglichst wenig Kühlluft zu verbrauchen.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Konflikte zwischen verschiedenen Auslegungskriterien bei verschiedenen Betriebsbedingungen auf einfache und sicher funktionierende Weise durch ein geeignetes Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffeinspritzvorrichtung sowie eine Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu überwinden.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 13 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, den Abschirmluftstrom zur Sicherstellung einer stabilen und/oder emissionsarmen Verbrennung unter Ausnutzung der sich ändernden Temperaturverhältnisse in der Brennstoffeinspritzvorrichtung durch eine bestimmte konstruktive Ausgestaltung der Brennstoffeinspritzvorrichtung dem jeweiligen Betriebszustand automatisch anzupassen, wobei zur automatischen Anpassung des Abschirmluftstromes die thermische Ausdehnung und/oder thermisch bedingte Formänderung bestimmter Teile der Brennstoffeinspritzvorrichtung ausgenutzt wird. Insbesondere wird der Abschirmluftstrom in der Brennstoffeinspritzvorrichtung durch ein in seinem Durchlassverhalten steuerbares Drosselsystem geschickt, und das Durchlassverhalten des steuerbaren Drosselsystems durch die thermische Ausdehnung der bestimmten Teile gesteuert.
Eine Ausgestaltung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass für den flüssigen Brennstoff ein zentrales Ölrohr vorgesehen ist, und dass die Drosselung des Abschirmluftstroms durch die thermisch bedingte Längenänderung des Ölrohres gesteuert wird, wobei insbesondere zur Drosselung des Abschirmluftstromes beim Ölbetrieb der Brennstoffeinspritzvorrichtung der Abschirmluftstrom bei Abkühlung des Ölrohres stärker gedrosselt wird.
Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass für den gasförmigen Brennstoff ein Pilotrohr vorgesehen ist, und dass die Drosselung des Abschirmluftstroms durch die thermisch bedingte Längenänderung des Pilotrohres gesteuert wird, wobei insbesondere zur Drosselung des Abschirmluftstroms bei niedriger Teillast im Gasbetrieb der Brennstoffeinspritzvorrichtung der Abschirmluftstrom bei Abkühlung des Pilotrohres stärker gedrosselt wird.
Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Drosselung des Abschirmluftstromes beim Ölbetrieb der Brennstoffeinspritzvorrichtung und bei niedriger Teillast im Gasbetrieb der Abschirmluftstrom, ausgehend von einer Mittelstellung, bei Abkühlung und bei Erwärmung des Ölrohres stärker gedrosselt wird.
Weiterhin ist es denkbar, dass zur automatischen Anpassung des Abschirmluftstromes die thermisch bedingte Formänderung bestimmter, aus einer Formgedächtnislegierung hergestellter, Teile der Brennstoffeinspritzvorrichtung ausgenutzt wird, wobei der Abschirmluftstrom in der Brennstoffeinspritzvorrichtung durch ein in seinem Durchlassverhalten steuerbares Drosselsystem geschickt wird, und das Durchlassverhalten des steuerbaren Drosselsystems durch die thermisch bedingte Formänderung der bestimmten Teile gesteuert wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Brennstoffeinspritzvorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ölrohr von einem Pilotrohr mit Abstand konzentrisch umgeben ist, wobei der Zwischenraum zwischen Ölrohr und Pilotrohr den Abschirmluftkanal bildet, dass das Pilotrohr von einem Pilotgaseindüsungskanal konzentrisch umgeben ist, und dass die Drosselungsmittel ein im Abschirmluftkanal angeordnetes Drosselsystem umfassen.
Insbesondere umfasst das Drosselsystem erste Drosselelemente, welche an der Aussenseite des Ölrohres befestigt sind, sowie zweite Drosselelemente, welche an der Innenseite des Pilotrohres befestigt sind, derart, dass die ersten und zweiten Drosselelemente zusammen einen Durchlassquerschnitt des Abschirmluftkanals festlegen, der sich bei einer axialen Bewegung der Rohre relativ zueinander verändert, wobei zumindest eines der Rohre aus einem Material mit einem von Null deutlich verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Arbeitstemperaturbereich der Brennstoffeinspritzvorrichtung ist.
Gemäss einer Weiterbildung ist das Ölrohr aus einem Material mit einem von Null deutlich verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Arbeitstemperaturbereich der Brennstoffeinspritzvorrichtung, und sind die ersten und zweiten Drosselelemente derart ausgebildet und angeordnet, dass sich bei Abkühlung des Ölrohres der Durchlassquerschnitt des Drosselsystems verringert.
Gemäss einer anderen Weiterbildung ist das Pilotrohr aus einem Material mit einem von Null deutlich verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Arbeitstemperaturbereich der Brennstoffeinspritzvorrichtung, und sind die ersten und zweiten Drosselelemente derart ausgebildet und angeordnet, dass sich bei Abkühlung des Pilotrohres der Durchlassquerschnitt des Drosselsystems verringert.
Gemäss einer dritten Weiterbildung ist das Ölrohr aus einem Material mit einem von Null deutlich verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Arbeitstemperaturbereich der Brennstoffeinspritzvorrichtung, und sind die ersten und zweiten Drosselelemente derart ausgebildet und angeordnet, dass sich, ausgehend von einer Mittelstellung, bei Abkühlung oder Erwärmung des Ölrohres der Durchlassquerschnitt des Drosselsystems verringert.
Insbesondere sind die ersten und zweiten Drosselelemente als konzentrische Kreisringe ausgebildet.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 in einer vereinfachten Darstellung den inneren Aufbau einer langen Brennerlanze für gasförmigen und flüssigen Brennstoff („dual fuel”) mit einem durch die thermische Ausdehnung des inneren Ölrohres gesteuerten Drosselsystem für den Strom der Abschirmluft gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 die Draufsicht in Achsrichtung auf eine Ausgestaltung des Drosselsystems aus 1 (2a) und eine zu 1 alternative Ausführungsform eines Drosselsystems (2b);
3 in einer vereinfachten Darstellung den inneren Aufbau einer in einem Brenner steckenden kurzen Brennerlanze, bei der unter bestimmten Voraussetzungen ein Drosselsystem gemäss 1 eingesetzt werden kann;
4 in einer vereinfachten Darstellung die Steuerung des Luftstromes bei einer in einem Brenner steckenden Brennerlanze durch die thermisch bedingte Verschiebung der Brennerlanze relativ zum Brenner, wobei die Teilfigur 4a den Zustand mit vollem Luftstrom, und Teilfigur 4b den Zustand mit gedrosseltem Luftstrom zeigt;
5 in einer vereinfachten Darstellung die Reduzierung des Abschirmluftstromes bei kleiner Last im Gasbetrieb einer mit Gas betriebenen Brennstoffeinspritzvorrichtung, wobei die Teilfiguren 5a und 5b ein zu 1 vergleichbares Drosselsystem, und Teilfigur 5c eine weitere Ausführungsform eines geeigneten Drosselsystems zeigen; und
6 in einer vereinfachten Darstellung die drei möglichen Zustände (6a–c) eines Drosselsystems in einer Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäss einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Der Kern der Erfindung besteht darin, während des Betriebes eine Einstellung des Luftstromes in der und/oder um die Brennstoffeinspritzvorrichtung herum zu ermöglichen. Wegen der Komplexität und wegen der Sicherheitsaspekte, die mit einer externen Steuerung des Luftstromes verbunden sind, ist es besonders vorteilhaft, wenn eine automatische Steuerung verwendet wird, die auf Teile und Verbindungen ausserhalb des die Brennkammer umgebenden Plenums sowie eine externes Steuerungssystem verzichtet. Insbesondere wird die unterschiedliche thermische Ausdehnung von verschiedenen Bauteilen der Einspritzvorrichtung und/oder des Brenners ausgenutzt, um den Luftstrom für die verschiedenen Betriebsphasen des Brenners zu steuern.
Durch eine geeignete Auswahl bei der Konfiguration und den verwendeten Materialien der Brennstoffeinspritzvorrichtung und/oder der Brenner-Bauteile, welche in sich die Luft führen oder welche gemeinsam die Luftführung begrenzen, ist es möglich, eine variable Geometrie zu erhalten, die von der Materialtemperatur und damit von den Betriebsbedingungen des Brenners abhängt. Abhängig von der Grösse oder der Art der Verschiebung oder Geometrievariation, die es braucht, um die gewünschten Änderungen im Luftstrom zu bewirken, sind unterschiedliche Lösungsmöglichkeiten vorhanden:

• Die Wahl geeigneter Konfigurations- und Befestigungspunkte für Bauteile aus Standardmaterialien: So kann beispielsweise durch den Einsatz von rostfreiem Stahl (Werkstoff-Nr. 1.4435, mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 17–18 × 10^–6 K^–1) für eine typische Länge des Brenner/Einspritz-Systems von 1 m und einer typischen Verbrennungstemperaturdifferenz zwischen Maschinenanlauf und Grundlast von 200°C eine Verschiebung aufgrund der thermischen Ausdehnung von etwa 3 mm erreicht werden.
• Die Wahl geeigneter Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten: So können durch eine Kombination von rostfreiem Standard-Stahl (Werkstoff-Nr. 1.4435, mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 17–18 × 10^–6 K^–1) und/oder hochtemperaturfesten Ni-Cr-Legierungen (INCONEL, mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 13–15 × 10^–6 K^–1) mit speziellen Legierungen mit geringer Ausdehnung (z. B. Ni-Fe-Legierung NILO, mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1,5 × 10^–6 K^–1) ausreichende Verschiebungen schon bei Konfigurationen mit geringerer Systemlänge und innerhalb eines kleineren Temperaturbereichs erzielt werden. Damit erhöht sich die Flexibilität beim Entwurf der Vorrichtung.
• Für extreme Änderungen der Geometrie können Metalllegierungen eingesetzt werden, die bei unterschiedlichen Temperaturen eine deutliche Deformation zeigen (z. B. Gedächtnislegierungen (SMA), die zwei unterschiedliche stabile Formen oberhalb und unterhalb einer vorgegebenen Temperatur einnehmen, Bimetalle, etc.).

Wie bereits weiter oben erwähnt, wird in Verbrennungssystemen mit gasförmigem und flüssigem Brennstoff ein gewisser Strom an Abschirmluft beim Gasbetrieb benötigt. Es ist jedoch beobachtet worden, dass beim Betrieb mit Flüssigbrennstoff (Öl) die auftretenden Verbrennungspulsationen verringert werden können, wenn der Abschirmluftstrom unter den beim Gasbetrieb eingestellten Wert abgesenkt wird. Abhängig vom Typ der Einspritzvorrichtung kann dieser Konflikt wie folgt auf einfache und sicher funktionierende Weise gelöst werden.
In 1 ist in einer vereinfachten Darstellung der innere Aufbau einer Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 in Form einer langen Brennerlanze wiedergegeben. Ein Abschirmluftkanal 11, durch den Abschirmluft AR strömt, trennt einen (äusseren) Pilotgaseindüsungskanal 12 für Pilotgas PG von einem (inneren) Öleindüsungskanal 13 für Öl (OL) als flüssigen Brennstoff. Den Kanälen zugeordnet ist ein entsprechendes Pilotrohr 15 und ein Ölrohr 16. Die beiden Kanäle 12 und 13 bzw. Rohre 15 und 16 sind üblicherweise in einem ausreichenden Abstand (Länge L1 + L2 in 1) von der Spitze der Lanze, gleich stromaufwärts hinter einem Kreuzungsstück 14 für die Abschirmluft, miteinander verbunden. Daher kann die thermische Ausdehnung des Pilotrohres 15 und des Ölrohres 16 zwischen ihrer Verbindung und der Lanzenspitze dazu benutzt werden, den Strom der Abschirmluft in einer von der Betriebsart abhängigen Weise zu steuern.
Im Gasvormischbetrieb gibt es weder durch den Pilotgaseindüsungskanal 12 noch durch den Öleindüsungskanal 13 einen Strom. Daher haben das Pilotrohr 15 und das Ölrohr 16 die gleiche Temperatur, nämlich ungefähr die Temperatur der Abschirmluft bzw. der Verbrennungsluft. Wenn nun auf Ölbetrieb umgeschaltet wird, sinkt die Temperatur des Ölrohres 16 und nähert sich der Temperatur des eingespritzten Öl-Brennstoffes, die nahe bei Zimmertemperatur liegt. Es kann daher in den Abschirmluftkanal 11 ein Drosselsystem 17 eingebaut werden, das bei Gasvormischbetrieb offen ist und beim Übergang zum Ölbetrieb aufgrund der thermischen Kontraktion des Ölrohres 16 schliesst. Wegen der grossen Temperaturdifferenz von mehreren 100°C zwischen der (im Kompressor komprimierten) Verbrennungsluft und dem Öl-Brennstoff reicht es aus, für das Ölrohr 16 und das Pilotrohr 15 herkömmlichen rostfreien Stahl zu verwenden und dessen grossen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (17–18 × 10^–6 K^–1) auszunutzen, um die für das Drosselsystem 17 notwendige relative Verschiebung zu erreichen.
Eine besonders einfache Konfiguration des Drosselsystems ist in 2a in der Draufsicht in Achsrichtung dargestellt. Sie umfasst zwei konzentrische, kreisringförmige Blockierelemente, die im Durchmesser angepasst sind (der Innendurchmesser des äusseren Kreisrings 17b ist in etwa gleich dem Aussendurchmesser des inneren Kreisrings 17a). Das innere Drosselelement 17a ist auf dem Ölrohr 16 befestigt, das äussere Drosselelement 17b im Pilotrohr 15. Befinden sich (aufgrund des „kalten” Öls im Ölrohr 16) die Drosselelemente 17a, b in axialer Richtung auf gleicher Position, ist der Abschirmluftkanal 11 praktisch geschlossen. Dehnt sich das Ölrohr 16 durch Temperaturerhöhung aus, verschiebt sich das innere Drosselelement 17a relativ zum äusseren Drosselelement 17b zur Lanzenspitze hin (1) gibt einen Durchlass zwischen den Kreisringen 17a, b für die Abschirmluft frei.
Die in 2a gezeigte Konfiguration mit zwei konzentrischen Kreisringen ist zwar besonders einfach, hat jedoch den Nachteil, dass sie den Abschirmluftstrom zu einer starken Radialbewegung zwingt, die das Strömungsfeld der Abschirmluft unvorteilhaft verändert. Es kann daher günstiger sein, anstelle des inneren Kreisrings 17a einen (nicht dargestellten) sternförmig bzw. speichenartig gezackten Ring vorzusehen, der mit einem passend nach innen zu gezackten äusseren Ring zusammenwirkt. Hierdurch können Umlenkungen des Strömungsfeldes in eine bestimmte Richtung, insbesondere in die radiale Richtung, sicher vermieden werden.
Wenn die Länge L2 zwischen der Verbindung von Ölrohr 16 und Pilotrohr 15 und dem Kreuzungsstück 14 für die Abschirmluft ausreichend gross ist, kann gemäss 2b ein Blockiersystem 18 eingesetzt werden, bei dem am Ölrohr 16 ein hohlzylindrisches Drosselelement 18a befestigt ist, welches sich bei kaltem Ölrohr 16 über den Einlass für die Abschirmluft schiebt und den Einlass bei sich erwärmendem Ölrohr 16 freigibt.
Anstelle der langen Brennerlanze 10 aus 1 wird bei einem Doppelkegelbrenner, wie er in der EP-B1-0 321 809 beschrieben ist, eine kurze Brennerlanze eingesetzt, bei der sich das Kreuzungsstück 14 in der Nähe der Lanzenspitze befindet. Der in 3 vereinfacht dargestellte innere Aufbau einer derartigen kurzen Brennstoffeinspritzvorrichtung bzw. Brennerlanze 30 ist ähnlich wie der Aufbau der langen Brennerlanze 10 aus 1, mit dem Unterschied, dass der Abstand des Kreuzungsstücks 14 zur Lanzenspitze (Länge L1) sehr klein ist. Die Abschirmluft AR wird dabei von aussen über einen Abschirmluftdurchlass 19 im Brenner 20 in die Brennerlanze 30 eingeführt. Gleichwohl können die im Zusammenhang mit 1 und 2 beschriebenen Methoden der thermisch gesteuerten Drosselung des Abschirmluftstromes mittels kreisringförmiger, speichenartig gezackter oder hohlzylindrischer Drosselelemente auch bei der kurzen Brennerlanze 30 der 3 eingesetzt werden, wenn die Länge L2 zwischen dem Kreuzungsstück und der Verbindung der beiden Rohre 15 und 16 ausreichend gross genug gewählt wird. Auch hier können mit Erfolg Rohre aus rostfreiem Stahl oder einem hochtemperaturfesten Stahl eingesetzt werden, um über die thermische Ausdehnung das Drosselsystem für die Abschirmluft zu betätigen.
Für Brennerlanzen, bei denen – wie in 3 – die Abschirmluft über einen Abschirmluftdurchlass 19 im Brenner 20 in die Brennerlanze gelangt, und bei denen ein Pilotgaseindüsungskanal (12 in 3) nicht vorgesehen ist, gibt es eine weitere Möglichkeit der thermisch gesteuerten Drosselung, bei der die Längenänderung der gesamten Lanze relativ zum Brenner ausgenutzt wird. Ein solches System ist in 4 dargestellt. Der Abschirmlufteinlass 25 an der Brennerlanze 40 ist relativ zum Abschirmluftdurchlass 19 im Brenner 20 so positioniert, dass die beiden beim Gasbetrieb miteinander fluchten (4a). Für Brennerlanzen ohne Pilotrohr ermöglicht die Abkühlung der gesamten Lanze im Ölbetrieb eine Verschiebung des Abschirmlufteinlasses 25 relativ zum Abschirmluftdurchlass (4b), die eine Drosselung des Abschirmluftstroms bewirkt. Die ganze Lanze muss dazu lediglich aus einem Material mit einem ausreichend grossen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sein.
Die thermisch gesteuerte unterschiedliche Drosselung des Abschirmluftstroms kann aber auch für unterschiedliche Lastsituationen der zugehörigen Gasturbine von grossem Vorteil sein: Wegen des unterschiedlichen Verbrennungsverhaltens beim Aufstarten der Maschine und anfänglicher Belastung gegenüber Volllast kann es nützlich sein, die Abschirmluft bei niedrigem Teillastbetrieb zu reduzieren, um die Flammen am Brenner zu verankern und damit die Flammenstabilität zu erhöhen. Bei hohem Teillastbetrieb wird dagegen der maximale Abschirmluftstrom benötigt, um die Flammen weiter stromabwärts zu halten und die NOx-Emissionen zu verringern. Verschiedene Möglichkeiten für eine solche lastbezogene Drosselung sind in 5 wiedergegeben.
Auch bei der lastbezogenen Drosselung der Abschirmluft kann ein zu 1 und 2a vergleichbares Drosselungssystem eingesetzt werden, bei dem die unterschiedliche thermische Ausdehnung des Ölrohres 16 und des Pilotrohres 15 ausgenutzt wird, um konzentrische, kreisringförmige oder speichenförmig gezackte Drosselelemente 21a, b in einem Drosselsystem 21 gegeneinander in axialer Richtung zu verschieben (5a und b). Bei hoher Teillast wird kein Pilotgas PG eingedüst. Daher haben beide Rohre 15 und 16 die gleiche Temperatur, die in etwa der Vorheiztemperatur entspricht. Die Drosselung ist in diesem Fall gering (5a). Bei niedriger Teillast ist die Pilotstufe in Betrieb kühlt daher das Pilotrohr 15. Das Pilotohr 15 zieht sich zusammen und erhöht so die Drosselung des Drosselsystems 21 (5b). Dasselbe ist auch für die stufenweise Eindüsung gültig, wo während der Gasstufe das Gas immer durch den Pilotgaseindüsungskanal strömt, jedoch in grösserem Umfang während der niedrigen Teillast, so dass die zusätzliche Kühlung die Länge des Pilotrohres 15 ebenfalls ausreichend verkürzen kann.
Eine zu der in 2b gezeigten gleichartige Methode kann auch bei der lastbezogenen Drosselung eingesetzt werden (5c). In diesem Fall sollte das hohlzylindrische Drosselelement 22a des Drosselsystems 22 an dem Pilotrohr 15 befestigt sein. Um eine für die thermische Steuerung ausreichende Länge zu erhalten, muss möglicherweise eine zusätzliche Verlängerung 23 eingesetzt werden, die aus einem Material mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten (z. B. NILO^®-Legierungen) hergestellt ist.
Es ist aber auch denkbar, die im Zusammenhang mit den 1 und 2 sowie 5 beschriebene Drosselung zu kombinieren, um den Abschirmluftstrom bei einem Zwei-Brennstoff-System sowohl für den Gas-, als auch für den Ölbetrieb zu steuern. Eine solche kombinierte Drosselung ist in 6 beispielhaft dargestellt. Das Drosselsystem 24 umfasst hier drei (z. B. kreisringförmige) Drosselelemente 24a–c, die in einer Mittelstellung (6a) die Abschirmluft AR minimal drosseln, und in einer unteren und oberen Extremstellung (6b und c) eine maximale Drosselung bewirken. Die minimale Drosselung gemäss 6a ist bei kalten Bedingungen und beim Gasbetrieb mit hoher Last verwirklicht. Die maximale Drosselung gemäss 6b erfolgt beim Gasbetrieb mit niedriger Last, die maximale Drosselung gemäss 6c beim Ölbetrieb.
Eine weitere Möglichkeit der gesteuerten Drosselung der Abschirmluft lässt sich durch den Einsatz von Formgedächtnislegierungen (Shape Memory Alloys SMA) verwirklichen. Teile aus SMAs, die entweder mit dem Pilotrohr 15 oder mit dem Ölrohr 16 verbunden sind, ändern ihre Form und drosseln so den Abschirmluftstrom, wenn die zugehörige Brennstoffleitung (d. h., das Pilotrohr beim niedrigen Teillastbetrieb oder das Ölrohr bei Ölbetrieb) aktiv und daher kälter ist.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann beispielsweise auch eine Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens vorgesehen sein, bei welcher ein zentrales Pilotrohr angeordnet ist, welches konzentrisch von einem Ölrohr umgeben ist.
Bezugszeichenliste

10, 30, 40: Brennstoffeinspritzvorrichtung (Brennerlanze)
11: Abschirmluftkanal
12: Pilotgaseindüsungskanal
13: Öleindüsungskanal
14: Kreuzungsstück
15: Pilotrohr
16: Ölrohr
17,18: Drosselsystem
17a, b: Drosselelement (kreisringförmig)
18a: Drosselelement (hohlzylindrisch)
19: Abschirmluftdurchlass
20: Brenner
21, 22, 24: Drosselsystem
21a, b: Drosselelement (kreisringförmig)
22a: Drosselelement (hohlzylindrisch)
23: Verlängerung
24a, b, c: Drosselelement
25: Abschirmlufteinlass
AR: Luft (Abschirmluft)
OL: Öl
PG: Pilotgas
L1, L2: Länge

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffeinspritzvorrichtung (10, 30, 40), insbesondere in Gasturbinen, bei welchem Verfahren ein gasförmiger und/oder flüssiger Brennstoff (PG bzw. OL) zusammen mit einem unterstützenden oder abschirmenden Abschirmluftstrom (AR) durch die Brennstoffeinspritzvorrichtung (10, 30, 40) in eine Brennkammer eingedüst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschirmluftstrom zur Sicherstellung einer stabilen und/oder emissionsarmen Verbrennung unter Ausnutzung der sich ändernden Temperaturverhältnisse in der Brennstoffeinspritzvorrichtung (10, 30, 40) dem jeweiligen Betriebszustand automatisch angepasst wird, und dass zur automatischen Anpassung des Abschirmluftstromes die thermische Ausdehnung und/oder thermisch bedingte Formänderung bestimmter Teile (16, 23) der Brennstoffeinspritzvorrichtung (10, 30, 40) ausgenutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschirmluftstrom in der Brennstoffeinspritzvorrichtung (10, 30, 40) durch ein in seinem Durchlassverhalten steuerbares Drosselsystem (17, 18, 21, 22, 24) geschickt wird, und dass das Durchlassverhalten des steuerbaren Drosselsystems (17, 18, 21, 22, 24) durch die thermische Ausdehnung der bestimmten Teile (16, 23) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den flüssigen Brennstoff ein zentrales Ölrohr (16) vorgesehen ist, und dass die Drosselung des Abschirmluftstroms durch die thermisch bedingte Längenänderung des Ölrohres (16) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drosselung des Abschirmluftstromes beim Ölbetrieb der Brennstoffeinspritzvorrichtung (10, 30) der Abschirmluftstrom bei Abkühlung des Ölrohres (16) stärker gedrosselt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den gasförmigen Brennstoff ein Pilotrohr (15) vorgesehen ist, und dass die Drosselung des Abschirmluftstroms durch die thermisch bedingte Längenänderung des Pilotrohres (15) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drosselung des Abschirmluftstroms bei niedriger Teillast im Gasbetrieb der Brennstoffeinspritzvorrichtung (10, 30) der Abschirmluftstrom bei Abkühlung des Pilotrohres (15) stärker gedrosselt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drosselung des Abschirmluftstromes beim Ölbetrieb der Brennstoffeinspritzvorrichtung (10, 30) und bei niedriger Teillast im Gasbetrieb der Abschirmluftstrom, ausgehend von einer Mittelstellung, bei Abkühlung und bei Erwärmung des Ölrohres (16) stärker gedrosselt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung als eine in einem Brenner (20) steckende Brennerlanze (40) ausgebildet ist, dass der Abschirmluftstrom (AR) von aussen durch den Brenner (20) der Brennerlanze (40) zugeführt wird, und dass der Abschirmluftstrom durch die thermisch bedingte Verschiebung der Brennerlanze (40) relativ zum Brenner (20) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den flüssigen Brennstoff ein zentrales Ölrohr (16) in der Brennerlanze (40) vorgesehen ist, und dass die Drosselung des Abschirmluftstroms durch die thermisch bedingte Längenänderung der Brennerlanze (40) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drosselung des Abschirmluftstromes beim Ölbetrieb der Brennstoffeinspritzvorrichtung (40) der Abschirmluftstrom bei Abkühlung des Ölrohres (16) bzw. der Brennerlanze (40) stärker gedrosselt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur automatischen Anpassung des Abschirmluftstromes die thermisch bedingte Formänderung bestimmter, aus einer Formgedächtnislegierung hergestellter, Teile der Brennstoffeinspritzvorrichtung ausgenutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschirmluftstrom in der Brennstoffeinspritzvorrichtung durch ein in seinem Durchlassverhalten steuerbares Drosselsystem geschickt wird, und dass das Durchlassverhalten des steuerbaren Drosselsystems durch die thermisch bedingte Formänderung der bestimmten Teile gesteuert wird.
Brennstoffeinspritzvorrichtung (10, 30, 40) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem zentralen Ölrohr (16) für einen flüssigen Brennstoff, insbesondere 01, welches Ölrohr (16) konzentrisch von Abschirmluftkanal (11) für die Eindüsung von Abschirmluft (AR) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (17, 17a, b; 18, 18a; 21, 21a, b; 22; 24, 24a, b, c) zur Drosselung des Abschirmluftstroms durch den Abschirmluftkanal (11) vorgesehen sind, welche durch die thermische Ausdehnung und/oder thermisch bedingte Formänderung bestimmter Teile (16, 23) der Brennstoffeinspritzvorrichtung (10, 30, 40) steuerbar sind.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ölrohr (16) von einem Pilotrohr (15) mit Abstand konzentrisch umgeben ist, wobei der Zwischenraum zwischen Ölrohr (16) und Pilotrohr (15) den Abschirmluftkanal (11) bildet, dass das Pilotrohr (15) von einem Pilotgaseindüsungskanal (12) konzentrisch umgeben ist, und dass die Drosselungsmittel ein im Abschirmluftkanal (11) angeordnetes Drosselsystem (17, 18, 21, 22, 24) umfassen.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselsystem (17, 18, 21, 22, 24) erste Drosselelemente (17a, 21a, 24a, 24b) umfasst, welche an der Aussenseite des Ölrohres (16) befestigt sind, sowie zweite Drosselelemente (17b, 21b, 24c) umfasst, welche an der Innenseite des Pilotrohres (15) befestigt sind, derart, dass die ersten und zweiten Drosselelemente (17a, 21a, 24a, 24b; 17b, 21b, 24c) zusammen einen Durchlassquerschnitt des Abschirmluftkanals (11) festlegen, der sich bei einer axialen Bewegung der Rohre (15, 16) relativ zueinander verändert, und dass zumindest eines der Rohre (15, 16) aus einem Material mit einem von Null deutlich verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Arbeitstemperaturbereich der Brennstoffeinspritzvorrichtung ist.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Ölrohr (16) aus einem Material mit einem von Null deutlich verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Arbeitstemperaturbereich der Brennstoffeinspritzvorrichtung ist, und dass die ersten und zweiten Drosselelemente (17a, 17b) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sich bei Abkühlung des Ölrohres (16) der Durchlassquerschnitt des Drosselsystems (17) verringert.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Pilotrohr (15) aus einem Material mit einem von Null deutlich verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Arbeitstemperaturbereich der Brennstoffeinspritzvorrichtung ist, und dass die ersten und zweiten Drosselelemente (21a, 21b) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sich bei Abkühlung des Pilotrohres (15) der Durchlassquerschnitt des Drosselsystems (21) verringert.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Ölrohr (16) aus einem Material mit einem von Null deutlich verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Arbeitstemperaturbereich der Brennstoffeinspritzvorrichtung ist, und dass die ersten und zweiten Drosselelemente (24a, 24b, 24c) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sich, ausgehend von einer Mittelstellung, bei Abkühlung oder Erwärmung des Ölrohres (16) der Durchlassquerschnitt des Drosselsystems (17) verringert.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Drosselelemente (17a, 21a, 24a, 24b; 17b, 21b, 24c) als konzentrische Kreisringe ausgebildet sind.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abschirmluftkanal (11) von aussen über ein durch den Pilotgaseindüsungskanal (12) reichendes Kreuzungsstück (14) Abschirmluft zuführbar ist, dass das Drosselsystem (18, 22) ein im Abschirmluftkanal (11) angeordnetes hohlzylindrisches Drosselelement (18a, 22a) umfasst, welches an einem der Rohre (15, 16) befestigt ist und das Kreuzungsstück (14) je nach axialer Position mehr oder weniger stark abdeckt.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (18) am Ölrohr (16) befestigt ist, und dass das Ölrohr (16) aus einem Material mit einem von Null deutlich verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Arbeitstemperaturbereich der Brennstoffeinspritzvorrichtung ist.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (22a), gegebenenfalls über eine Verlängerung (23) mit kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, am Pilotrohr (15) befestigt ist, und dass das Pilotrohr (16) aus einem Material mit einem von Null deutlich verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Arbeitstemperaturbereich der Brennstoffeinspritzvorrichtung ist.
Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung eine in einen Brenner (20) steckende Brennerlanze (40) ist, welcher von aussen über einen im Brenner (20) ausgebildeten Abschirmluftdurchlass (19) und einen daran anschliessenden Abschirmlufteinlass (25) in der Brennerlanze (40) Abschirmluft zuführbar ist, derart, dass durch eine thermisch bedingte Längenänderung der Brennerlanze (40) der Strömungsquerschnitt beim Übergang vom Abschirmluftdurchlass (19) zum Abschirmlufteinlass (25) verändert wird.