DE2307102C2

DE2307102C2 - Gasbrenner mit einer langgestreckten Brennerleitung

Info

Publication number: DE2307102C2
Application number: DE2307102A
Authority: DE
Inventors: Frederick Johnson Schenectady N.Y. Martin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-02-22
Filing date: 1973-02-14
Publication date: 1983-12-22
Also published as: JPS5239170B2; US3830620A; JPS4894926A; DE2307102A1; GB1403123A; CH556505A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasbrenner gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiger Gasbrenner ist in der GB-PS 1148 943 beschrieben.

Bei diesem Brenner, der nicht zur Aufwärmung der Abgasströmung einer Gasturbine vorgesehen ist, werden die Haupt- und Hilfsbrennstofföffnungen mit einem Brenngas-Primärluft-Gemisch gespeist. Seine seillich vorstehenden Längsränder dienen der Befesti- ^hn gung der die Öffnungen aufweisenden Auslaßbleche an einem Verteiler.

Aus der US-PS 31 78 161 ist ein ausschließlich mit Gas betreibbarer Brenner für eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Luft- oder zirkulierenden sauerstoff- ^hl haltigen Gasstromes bekannt, in dessen langgestreckter Brennerleitung beidseitig neben einer Reihe von Uaiiptbrennstofföffnungen zwei Reihen der F'.uiinienstabilisierung dienender Hilfsbrennstofföffnungen angeordnet sind. Stromab von diesen Öffnungen ist an der : Brennerleitungiein Paar mit Löchern versehener Hügel in V-förmiger Anordnung befestigt. Durch die durchlöcherten Flügel wird Luft aus dem zu erwärmenden Strom hindurchgelettet der oberhalb der Gaseinspeisung und der Rammen dachartig wieder zusammenläuft Dadurch wird eine Mischung. ErHizung und Verbrennung des Brenngases in einem großen Betriebsbereich sichergestellt. Dies ergibt einen »zusammengeschnürten« Flügelbrenner aufwendiger Bauart, mit dem die Flammen in der Nähe der Brennerleitung gehalten werden können.

Ein zur Aufheizung eines Abgasstromes einer Gasturbine verwendbarer Gasbrenner mit in einer Reihe angeordneten Brennstofföffnungen ist aus der US-PS 35 74 507 bekannt. Hier wird ausgehend von einem Stand der Technik, ähnlich dem nach der US-PS 3178161, ein Leitblech direkt jedem eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Brennstoffstrahl zugeordnet, das den Brennstoffstrahl seitlich ablenkt, um so einen eine kleine Geschwindigkeit aufweisenden flammenstabilisierenden Bereich zu bilden. Auch hierbei ist der Bauaufwand relativ groß.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eiiein Gasbrenner der eingangs genannten Art zur Aufwärmung der sauerstoffhaltigen Abgasströmung einer Gasturbine derart auszugestalten, daß er auf einfache Weise auch bei hohen Brennstoffdrücken eine stabile Flammenfront mit im wesentlichen vollständiger Verbrennung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einem Gasbrenner der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß aufgrsnd der flachen, im wesentlichen geschlossenen Leitmittel ein Teil des Abgases in eine Rezirkulatiorcszone oberhalb bzw. stromabwärts von den kleineren Hilfsbrennstofföffnungen gelenkt wird und für eine Stabilität der Flammenfront sorgt, in welcher der durch die größeren Hauptbrennstofföffnungen in den Abgasstrom geleitete Brennstoff gezündet wird. Zusätzlich erfolgt eine günstige Verwirbelung, die für die Zufuhr von ausreichend Sauerstoff für eine im wesentlichen vollständige Verbrennung sorgt.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 ist eine isometrische Darstellung von einem Brennergitter, wie es in den Abgaskanal einer Gasturbine eingebaut sein kann, um Wärme für einen Wärmerückgewinnungsdamplgenerator zuzuführen.

Fig. 2 ist eine isometrische Ansicht von einem Gasbrenner, der aus dem Brennergitter herausgenommen ist.

Fig.3 ist eine Querschnittsdarstellung der Brennstoffverteilerleitung und der Brennerleitung eines Gasbrenners mit den verschiedenen Strömungen.

In Fig. 1 ist ein Brennergitter dargestellt, wie es im Abgasstutzen eines Gasturbinentriebwerkes zur Erhitzung von Abgasen verwendet werden kann, um einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator oder Abgaskessel zu befeuern. Dieses Brennergil:er 11 umfaßt einen rechtwinkligen Rahmen 15. der zur Halterung der Brennerelemente zwischen zwei nicht gezeigten Abgas-

kanalabschnitten verwendet wird. Ein Strömungsverteilungsrost 19 kann dazu verwendet werden, einen durchlässigen Boden zu bilden.; Es ist an dem rechtwinkligen Rahmen durch Stützträger 21 befestigt, die quer zu gegenüberliegenden Seiten des Rahmens auf dessen Länge angebracht sind.

An jedem Ende des rechtwinkligen Rahmens kann ein Steuer- oder Pilotbrenner 25 einschließlicrt einer Zündeinrichtung 29 quer angebracht sein. Jeder Pilotbrenner ist an dem einen Ende mit einem Gaseinlaß 27 mit'einer nicht gezeigten Gaszufuhr verbunden und kann an dem entgegengesetzten Ende mit einer Kappe versehen sein, um so eine blinde Brennerleitung zu bilden. Der Pilotbrenner kann sich von den Hauptgasbrennern dahingehend unterscheiden, daß er ein üblicher bekannter »Dachflügel«-Brenner ist, der ein Paar divergierender Flügel 31 mit Luftlöchern 35 und eine Reihe Brennstofflöcher 39 auf der Brennerleitung aufweist. Da der Pilotbrenner lediglich für den Beginn der Brennerbefeuerung sorgt, kann hier die Brennstoffzufuhr gewöhnlich konstant auf einem relativ kleinen Wert bleiben. Die Pilotbrenner werden deshalb gezündet, um eine Flamme zu bilden, die sich quer in Richtung auf jedes Ende des rechtwinkligen Rahmens 15 ausbreitet

Die Hauptgasbrenner 41 gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind am besten in den F i g. I und 2 dargestellt. Die Hauptgasbrenner 41 können in bezug auf das Brennergitter in Längsrichtung ausgerichtet und durch die Querträger 21 und durch den rechtwinkligen Rahmen 15 gehaltert sein. Die Hauptbrenner 41 befinden sich unterhalb oder stromabwärts von den Pilotbrennem 25 und verlaufen senkrecht zu diesen. Die Rammenausbreitung in den Hauptbrennern 41 erfolgt von jedem Ende der rechtwinkligen Halterung nach innen, etwa bis zur Mitte des rechtwinkligen Rahmens 15.

Die Hauptbrenner 45 sind jeweils mit einer Brennerleitun^ 49 versehen, von der zwei als Leitmittel dienende Flügel 59 ausgehen, die sich von der Brennerleitung 49 in horizontaler Richtung nach außen erstrecken und in Bezug zueinander in einer 180°-Ebene liegen. Jeder Flügel 59 bildet einen Winkel von 90° in bezug auf die vertikale Mittellinie der Brennerleitung 49. Deshalb /iegen die Flügel 59 senkrtcht zur Strömung des Turbinengases. Die Flügel 59 sind nicht mit Löchern versehen, aber mit periodischen Unterbrechungen oder Ausdehnungsschlitzen 61 entlang der Brennerlänge, um eine thermische Ausdehnung und eine begrenzte thermische Verformung aufzunehmen. Als Beispiel kann die Breite jodes Brennerflügels 59 in der Größenordnung vom halben Durchmesser der Brennerleitung 49 sein. Jede Brennerleitung 49 enthält eine Kappe 65. um das eine Ende des Brenners zu verschließen, wodurch somit eine weitere Blindleitung gebildet wird.

Der stromabwärts gelegene (in bezug auf die Gasströmung, wie sie in F i g. 3 gezeigt ist) Umfang der Brennerleitung 49 enthält eine Reihe großer und kleiner Löcher, die in bezug auf die vertikale Mittellinie der Leitung symmetrisch sind. Diese umfassen Hauptbrennstofföffnungen 69, welche die größeren Löcher sind, und Flammenstabilisierungs- bzw. HilfsÖffnungen 71, welches die kleineren Löcher sind. Als Beispiel kann das Verhältnis der Durchmesser zwischen den Hauptöffnungen 69 und Stabilisierungs- bzw. Hilfsöffnungen 71 in der Größenordnung ντη 2 : I liegen. Weilerhin sind die Hauptbrennstofföffnungen 69 in Paaren angeordnet, und zwar jeweils eine auf jeder Seite der vertikalen

Mittellinie der Brennerleitung 49, und jede einzelne Öffnung 69 ist in einem Winkel von 60° von der vertikalen Mittellinie.angeordnet

Die Flammenstabilisierungs- oder Hilfsöffnungen 71, d. h. die kleineren Löcher, sind im Abstand in Paaren angeordnet Diese Lochpaare wechseln sich auf der Brennerlänge mit den Hauptbrennstofföffnungen 69 ab. Die Stabilisierungsöffnungen 71 sind jeweils in einem Winkel vcn 30° von der vertikalen Mittellinie auf entgegengesetzten Seiten der vertikalen Mittellinie angeordnet

Es ist eine Verteilerleitung 45 mit kleinerem Durchmesser vorgesehen, die konzentrisch innerhalb der Hauptbrennerleitung 49 angeordnet und mit einem Gaseinlaß 51 verbunden ist. Diese Verteilerleitung 45 umfaßt Brennstoffverteilungslöcher 55, die entlang der oberen Mittellinie der Verteilerleitung 45 ausgebildet sind. Diese Löcher 55 sind in der Wirkung Gasverteilungslöcher, die etwa einmal pro jew* vs drei Paare der Hsuptbrennstofföffnungcn 53 auftreten and eine gleichförmige Gasverteilung in der Brennerleitung 49 sicherstellen. Das Verhältnis des mittleren Durchmessers der Verteilerleitung 45 zum mittleren Durchmesser der ßrennerleitung 49 kann in der Größenordnung von 3:4 liegen.

Es wird nun der Betrieb des Gasbrenners beschrieben. Üblicherweise strömen Abgase von Gasturbinen zunächst bei einer Temperatur von etsva 500°C nach oben durch eine Gruppe von Vorverdampferröhren, wo die Abgastemperatur auf etwa 280°C herabgesetzt wird. Die Gase strömen dann zur Erhitzung nach oben durch ein horizontales Brennerbett oder Brennergitter, das eine Anzahl im Abstand angeordneter paralleler Hauptbrennerelemente umfaßt, die entlang der Brennerbettlänge angeordnet sind. Die Gase bewegen sich dann etwa 275 cm vertikal nach oben, bevor sie durch eine Guppe von mit Rippen versehenen Kesselrohren strömen. Auf diesem Abstand von 275 cm ist es wichtig, das Brennstoffgas von den Brennern volls'lndig zu verbrennen und die heißen Produkte mit dsm Luftüberschuß und dem Turbinengas zu vermischen, das um die Flamme herumströmt, um eine möglichst gleichförmige Temperatur an den Kesselrohren zu erreichen. Die Brennstoffgasströrnung zu den Brennern wird durch den Brennstoffgasdruck geregelt, um eine Abgastemperatur von etwa 700⁰C an den Rohren zu erhalten. Neben den Hauptbrennerelementen sind Pilotbrennerelemente vorgesehen, die quer an entgegengesetzten Enden des Brennerbettes in rechten Winkeln zu den Hauptbrennerelementen angebracht sind. Die Pilotbrenner werden zunächst gezündet, brennen kontinuierlich und stoßen eine Flammenfläche bzw. einen Flammenteppich aus über die stromabwärts gelegenen Seiten der Hauptbrennerelemente.

Es gibt verschiedene Betriebsbedingungen, denen sich der Brenner^ anpassen muß. So haben die Abgase normalerweise Temperaturen in dem Bereich von etwa 260°C bis 540°C, sie jtrömen mit Geschwindigkeiten in dem Bereich von 3 m bis 30 m pro Sekunde und sie haben Sauerstoffgehalt in dem Bereich von <2 bis 21 VoI.-%.

Gemäß Fig. I nimmt das Brennergitler. dessen Größe in bezug auf die Größe eines Gasturbinen-Abgaskanales und weiter .-,in gemäß den Wärmeerfordernissen vergrößert oder verkleinert sein kann, eine Aiifwärtsströmung der Abgase der Gasturbinen mit sich verändernden Sauerstoffgehiilten und Geschwindigkeiten auf. D¹C Pilotbrenner 25 werden durch die

Zündeinrichtungen 29 und eine Zufuhr von Gas durch den Gaseinlaß 27 gezündet. Dadurch werden zwei fliichenförmige Flammen von jedem Ende über diis Brennergitter verteilt. Diese flachenförniigon Klammen dienen zur Zündung der Hauptbrenner 41 und erzeugen relativ geringe Wärmemengen. Eine Flammenstabilität kann deshalb durch Einstellung des Brennstnffgiisdrukkes auf einen minimalen Druck erreicht werden.

Die Hauptbrenner 45 werden von den nicht gezeigten Gaseinlässen mit gasförmigem Brennstoff versorgt. Brennstoffgas wird in die Hauptbrenncrleitung 49 von der in Fig. 3 gezeigten Verteilerleitung 45 eingeführt, um das Gas gleichförmig in die Brennerleitung 49 zu verteilen. Anschließend wird das Gas von den Hauptbrennstofföffnungen 69 und den die Flammen stabilisierenden HilfsÖffnungen 71 ausgestoßen. Unmittelbar neben den Brennerflügeln 59 wird auf die Abgase eine Wirbelbewegung ausgeübt, da die Brennerflügel 59 die Sirüniungsbann dieser Abgase ableiten. Dies bewirkt eine Rezirkulationsströmung der Abgase oberhalb des Brenners, w ie sie in F i g. 3 dargestellt ist. Brennstoffströmungen aus den Flammenstabilisierungsöffnungen 71 werden in die Rezirkulationsbahn ausgestoßen und bilden eine brennbare Mischung, die durch die Pilotflamme entzündet wird. Auf Grund der Rezirkulationsbahn können die Brennstoffströmungen in einer stabilen Flamme vollständig verbrannt werden.

Unterdessen wird das aus den Hauptbrennstofföffnungen 69 austretende Brennstoffgas seitlich zu jeder Seite der Rezirkulationsszone ausgestoßen und durchdringt diese, bis es von einer Aufwärtsströmung der TurbinenaOgase erfaßt wird, wie es in F i g. 3 dargestellt ist. Diese Aufwärtsströmung und der davon mitgenommene Brennstoff bilden eine brennbare Mischung am Umfang der stabilen Flammenfront, die nunmehr als eine Pilotflamme für die Hauptbrennsiorföffnungen 69 wirkt. Wiederum ist eine Flammenstabilität für alle Brennstoffdrucke sichergestellt und es erfolgt vollständige Verbrennung aller Brennstoffgase.

Auf Grund der Rezirkukition der heißen Brcnnstoffg'ise oberhalb oder stromabwärts von dem Gasbrenner zusammen mit den heißen Turbinenabgasen wird der Brennstoff innerhalb der Brennerleitung 49 zunehmend heißer, wenn er durch die Brcnnerleitung 49 hindurchströmt. Dies beeinflußt die Verteilung des durch die Brennstofföffnungen 69, 71 herausströmenden Brennstoffes und demzufolge die Größe und Stabilität der Flammenstrahlen. Um dieses Problem zu überwinden, ist der Brennstoffverteiler 45 in die Hauptbrennerleitung 49 eingesetzt, wie es vorstehend beschrieben wurde. Dieser interne Verteiler 45 wird mit Brennstoffgas bei noiien Drücken bis zu 3,i bar oder mehr gespeist. Eine kleine Anzahl von Brennstoffverteilungslöchern 55 in der Innenleitung 45 verteilt das Gas gleichförmig auf die Innenseite der Hauptbrennerleitung 49. wo der Druck etwa 1,1 bar oder weniger beträgt. Auf diese Weise werden gleichförmige Flammen über der Brennerlänge erhalten.

Die Größe und Form der Brennstofföffnungen 69, 71 werden so gewählt, daß sie für die Flammenstabilität und -lie Flammenverteilung sorgen, die für den jeweiligen Anwendungsfall erforderlich sind. Die Größe der Brennstofflöcher kann sich auch mit ihrem Abstand von der vertikalen Mittellinie der Brennerleitung 49 ändern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasbrenner mit einer langgestreckten Brennerleitung, an deren stromabwärtigen Umfang kreisförmige Hauptbrennstofföffnungen und der Flammenstabilisierung dienende kreisförmige HHfsbrennstofföffnungen jeweils symmetrisch zur vertikalen Längsmittefebene der Brennerleitung angeordnet sind, 'dadurch gekennzeichnet^ daß zur Aufheizung der sauerstoffhaltigen Abgasströmung einer Gasturbine an der Brennerleitung (49) sich seitlich in entgegengesetzte Richtungen erstreckende, im wesentlichen in sich geschlossene Leitmittel (59) befestigt sind, die in einer gemeinsamen Ebene und senkrecht zur Abgasströmung angeordnet sind· und einen Teil der Abgasströmung in eine Rezirkulationsbahn stromabwärts von der Brennerleitung (49) lenken, daß die Haupt- und Hilfsbrennstofföffp'ingen (69, 71) ausschließlich Brenngas führen «ad die Hilfsbrennstofföffnungen (71) in die Rezirkulationsbahn und die Hauptbrennstofföffnungen (69) derart seitlich gerichtet sind, daß der Brennstoff über die Rezirkulationsbahn hinaus in den verbleibenden Teil der Abgasströmung leitbar ist, und daß die Hilfsbrennstofföffnungen (71) in Umfangsrichtung näher ander vertikalen Mittelebene der Brennerleitung (49) gelegen sind und einen kleineren Durchmesser aufweisen als die Hauptbrennstofföffnungen (69).

2. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und Hilfsbrennstofföffnungen (69, 71) als Lochpaeve auf der Länge der Brennerleitung (49) at wechselnd angeordnet sind.

3. Gasbrenner nach Anspiv _'h 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennstoffverteilerleitung (45), die auf ihrer Länge im Abstand angeordnete Brennstofflöcher (55) aufweist, konzentrisch innerhalb der Brennerleitung (49) angeordnet ist.

4. Gasbrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und Hilfsbrennstofföffnungen (69, 71) einen Winkel von etwa 60 bzw. 30° mit der vertikalen Mittelebene der Brennerleitung (49) einschließen.

5. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitmittel (59) horizontale Flügel sind, deren Breite etwa den halben Durchmesser der Brennerleitung (49) beträgt.

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