DE2355127A1 - BURNER FOR A GAS TURBINE - Google Patents

BURNER FOR A GAS TURBINE

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DE2355127A1 DE19732355127 DE2355127A DE2355127A1 DE 2355127 A1 DE2355127 A1 DE 2355127A1 DE 19732355127 DE19732355127 DE 19732355127 DE 2355127 A DE2355127 A DE 2355127A DE 2355127 A1 DE2355127 A1 DE 2355127A1
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für eine Gasturbine mit einem Brennraum;, mit Brennstoffzufuhr, mit einem unter Druck stehende Verbrennungsluft liefernden Kompressor und mit Zufuhr von unter Druck stehendem Zerstäubungsmittel zum Brennstoff»The invention relates to a burner for a gas turbine with a combustion chamber;, with fuel supply, with a pressurized combustion air supplying compressor and with supply of pressurized atomizing agent to fuel »

Bekannte Anordnungen zum Lenken und Mischen von Zerstäubungsströmungsmitteln und Brennstoffen haben sich im allgemeinen mit der Erhöhung der thermischen Verbrennungsleistung und mit der Optimierung der Temperaturverteilung der Verbrennungsprodukte j um heiße Stellen auszuschalten und das Ausbrennen der im Strömungsweg'der Verbrennungsprodukte liegenden Bauteile zu verhindern, befaßt. Mit dem steigenden Interesse an der Entsorgung bzw. Sauberkeit der Umwelt wurde auch das Interesse daran -geweckt, für eine gründliche Brennstoffmischung und für eine Verminderung der Rauchentwicklung sowie der Erzeugung von schädlichen Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen bei der Verbrennung von Brennstoff in einer Gasturbine zu sorgen.Known arrangements for directing and mixing atomizing fluids and fuels have in general with the increase in thermal combustion performance and with the optimization of the temperature distribution of the combustion products j to switch off hot spots and the burnout the components lying in the flow path of the combustion products to prevent deals. With the increasing interest in the Disposal or cleanliness of the environment was also aroused interest in it, for a thorough fuel mixture and for a reduction in smoke development and the generation of harmful nitrogen-oxygen compounds during combustion of fuel in a gas turbine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde„ einen Brennerp insbesondere" für eine Gasturbine^ zu schaffens mit dem die Rauchentwicklung und die Erzeugung von Schadstoffen bei der Ver- The invention is based on the object "a burner particularly p" for a gas turbine to provide ^ s with the smoke development and the generation of pollutants in the comparison

409821/0788409821/0788

brennung vermindert werden kann.burning can be reduced.

Ein diese Aufgabe lösender bzw. die gestellten Anforderungen erfüllender Brenner hat erfindungsgemäß eine Brennstoffzuführleitung mit einer winzigen Öffnung, die zu einem Brennraum führt, um in diesen einen Brennstoffstrom einzuleiten. Ferner ist eine Zerstäubungsmittelkammer mit einer Öffnung vorhanden, die so angeordnet ist, daß das Zerstäubungsmittel mit dem in den Brennraum, einströmenden Brennstoff zusammentrifft. Eine Ringkammer umgibt die Brennstoffzuführleitung, xvobei das eine Ende dieser Kammer mit dem Brennraum, das andere Ende mit dem Kompressionsteil der Gasturbine in Verbindung steht,, Die Ringkammer weist eine Vielzahl von winklig angeordneten Leitschaufeln auf, um der durchströmenden Luft am Austritt aus der Ringkammer und beim Eintritt in den Brennraum einen wirbeiförmigen Verlauf zu geben. Ferner sind radial einwärts und radial auswärts angeordnete, schräggestellte Ringreihen von Öffnungen vorgesehen, durch die Luft strömt, um die Wirbelbewegung und die innere Turbulenz des Brennstoff-Luft-Gemisches im Brennraum zu unterstützen. Jede der Ringreihen von öffnungen und die Leitschaufeln lenken ihre jeweiligen Luftströme im allgemeinen parallel zueinander, wobei sie auch zu dem insgesamt allgemein wirbeiförmigen Strömungsbild beitragen. According to the invention, a burner which solves this task or fulfills the requirements set has a fuel supply line with a tiny opening that leads to a combustion chamber for introducing a flow of fuel into it. Further For example, there is an atomizing agent chamber with an opening which is arranged so that the atomizing agent with the in the combustion chamber, inflowing fuel meets. An annular chamber surrounds the fuel supply line, xvobei das one end of this chamber is connected to the combustion chamber, the other end to the compression part of the gas turbine, The annular chamber has a large number of angled guide vanes to prevent the air flowing through at the outlet to give a vortex-shaped course from the annular chamber and when entering the combustion chamber. Further are radially inward and radially outwardly disposed, inclined annular rows of openings provided through which air flows to the To support vortex movement and the internal turbulence of the fuel-air mixture in the combustion chamber. Each of the rows of rings of orifices and the guide vanes direct their respective air flows generally parallel to each other, whereby they also contribute to the general vortex-shaped flow pattern.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile werden für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegenstandes deutlich.Further features and advantages essential to the invention will become apparent to those skilled in the art from the following description of an exemplary embodiment of the subject matter of the invention clearly.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Brenner.Fig. 1 is a longitudinal section through one designed according to the invention Burner.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht nach der Linie II- II in der Fig. 1 und
Fig. 3 eine solche nach der Linie III - III in der Fig. 2O Fig. 2 shows a view along the line II-II in FIGS. 1 and
FIG. 3 shows one according to the line III-III in FIG. 20

Der Brenner 10 für eine (nicht gezeigte) Gasturbine hat einen Brennraum 12 und eine Zufuhrleitung 14 zur Zufuhr von Druckluft von einem Kompressor 13 als ZerstäubungsmittelThe burner 10 for a (not shown) gas turbine has a combustion chamber 12 and a supply line 14 for supplying Compressed air from a compressor 13 as an atomizing agent

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23 5512?23 5512?

für den Brennstoff o .for the fuel or similar

über eine Brennstoffzuleitung 16 gelangt Brennstoff zu einer Düse 18. mit wenigstens einer winzigen Öffnung 19 ■» aus der-der Brennstoff in den Brennraum 12 eingesprüht wird» Eine äußere Luftkammer 20 umschließt den Brenner ringförmig und steht mit einer Luft quelle über eine- -Vielzahl von Öffnungen 22 in Verbindung, die in der zylindrischen Außenwand 24 der Luftkammer 2C angeordnet sind0 Mehrere .schräggestellte Leitschaufeln 26 sind an der zylindrischen Innenwand 28 der Luftkammer 20 be- festigt, von der sie sich radial auswärts erstrecken. Durch die schräggestellten Leitschaufeln 26 kann der durch die Kammer 20 strömenden Luft ein verwirbelter oder gewundener Verlauf bei ihrem Eintritt in den Brennraum gegeben werden, und zwar mit einem Winkel von 30 bis 35° zur Achse des Brennraumes„ Ein kegelstumpfförmiger Leitkörper 30 ist an dem Ende" mit ge-Via a fuel supply line 16, fuel arrives at a nozzle 18 with at least one tiny opening 19 from which the fuel is sprayed into the combustion chamber 12. An outer air chamber 20 surrounds the burner in a ring shape and is connected to an air source over a multitude of openings 22 in connection arranged in the cylindrical outer wall 24 of the air chamber 2C 0 .schräggestellte Several guide vanes 26 are the air chamber 20 moun- ted on the cylindrical inner wall 28 from which they extend radially outwardly. Due to the inclined guide vanes 26, the air flowing through the chamber 20 can be given a swirled or tortuous course when it enters the combustion chamber, namely at an angle of 30 to 35 ° to the axis of the combustion chamber "with

.28 ringem Durchmesser an der Innenwand/der Luftkammer 20 befestigt und weist eine Vielzahl von ringförmig angeordneten düsenartigen Öffnungen 32 auf, die zur Achse des Brennraumes 12 unter einem Winkel von 30 bis 35° liegen. Die Leitschaufeln 26 und die Öffnungen 32 richten ihre jeweiligen Luftströme im allgemeinen parallel zueinander. Jeder Luftstrom trägt zu der Wirbelbewegung des Brennstöff-Zerstäubungsmittels· bei und1 verbindet sich mit dieser Bewegung» Die düsenartigen Öffnungen 32 können ihre Luftströme auch senkrecht zu dem Brennstoff—Luftwirbel richten, um die Verwirbelung und die'Mischung von Brennstoff und Luft zu erhöhen..28 ring diameter attached to the inner wall / the air chamber 20 and has a plurality of annularly arranged nozzle-like openings 32 which are to the axis of the combustion chamber 12 at an angle of 30 to 35 °. The vanes 26 and the openings 32 direct their respective airflows generally parallel to one another. Each air flow contributes to the swirling motion of Brennstöff-atomizing · and one connects to this movement "The nozzle-like openings 32 can have their air currents and perpendicular to the fuel-air vortex directed to increase the turbulence and die'Mischung of fuel and air.

Nahe der Brennstoffdüse 18 ist eine innere Luftkammer 34 vorgesehen, der das Zerstäubungsmittel über die Zuleitung 14 zugeführt wird, das dann durch eine Öffnung 36 nahe dem Kopf der Düse 18 strömt, und zwar unter einem Winkel gegen den Brennstoff hin, so daß es mit dem in den Brennraum einströmenden Brennstoff zusammentrifft.An inner air chamber 34 is provided near the fuel nozzle 18, to which the atomizing agent is supplied via the supply line 14, which is then fed through an opening 36 near the head of the Nozzle 18 flows, at an angle against the fuel so that it is with the flowing into the combustion chamber Fuel meets.

Zwischen der inneren und äußeren Luftkammer 34 bzw· 20 ist eine mittlere Luftkammer 38 ausgebildet, während in der Innen-Between the inner and outer air chambers 34 and 20, respectively a central air chamber 38 is formed, while in the interior

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wand 28 der äußeren Luftkammer 20 mehrere Durchtritte 40 vorgesehen sind. Die mittlereLuftkammer 38 steht strömungsmittelseitig mit dem Brennraum 12 über eine Mehrzahl von winklig angeordneten düsenartigen Öffnungen 42 in Verbindung, die zur Achse des Brennraumes unter einem Winkel von 30 bis 45° liegen. Die hier durchtretende Luft strömt im allgemeinen parallel zu dem durch die Leitschaufeln 26 und die äußere Reihe von Öffnungen 32 erzeugten Wirbelluftstrom.wall 28 of the outer air chamber 20 several passages 40 are provided are. The middle air chamber 38 is on the fluid side with the combustion chamber 12 via a plurality of angled nozzle-like openings 42 in connection, which for Axis of the combustion chamber are at an angle of 30 to 45 °. The air passing through here generally flows in parallel the vortex air flow generated by the vanes 26 and the outer row of openings 32.

Die Leitschaufeln 26 und die Reihen der winklig angeordneten Öffnungen 42 und 32 sind in Fig. 2 gezeigt.The vanes 26 and the rows of angled openings 42 and 32 are shown in FIG.

Die Winkellage der Leitschaufeln und der äußeren Öffnungen 32 ist in Fig. 3 dargestellt. Bei dem Brenner gemäß der Erfindung wird der in einer Anfangs—Brennzone erzeugte Kohlenstoff durch Zufuhr von Wirbelluft in drei Stufen vermindert, indem der Winkel des Brennstoff-Einspritzkegels erweitert wird, \tfodurch die Brennstoffteilchen in ihrer Größe kleiner gemacht werden, die Zündfähigkeit des Brennstoffs verbessert und schließlich die Länge der Flamme verkürzt wird. Das Zerstäuben des Brennstoffs wird durch die Anwendung einer Wirbelströmung mit einer .zum Brennstoff-Einspritzkegel gleichen Wirbelrichtung gesteigert. Zusätzlich durchdringt die eingedüste Luft den Brennstoff-Einspritzkegel, was zu einer inneren Verwirbelung und Mischung führt. - Da während des Verbrennungsvorgangs der Verbrennungsdruck ansteigt, läßt ein Druckausgleichkolben 44 zusätzliche Luft von der Verbrennungsluftquelle, die wie in Fig. 1 gezeigt ist, ein Kompresor sein kann, eintreten, wobei die Luft durch einen um die Brennstoffzuleitung herum angeordneten Ringraum 46 strömt, um sich mit der Luft in der mittleren Luftkammer 38 vor dem Einblasen in den Brennraum 12 zu mischen. Die Luft von dem äußeren Ring der Öffnungen 32 gelangt in den Brennstoff-Einspritzkegel, ohne den Einspritzkegel zusammenzuziehen oder zu verkleinern, weil der Luftstrom seine eigenen Wirbelkomponenten hat und weil der Kegelwinkel des Wirbels durch den von dem inneren Ring der Öffnungen 42The angular position of the guide vanes and the outer openings 32 is shown in FIG. 3. In the burner according to the invention the carbon produced in an initial burn zone is carried through The supply of fluidized air is reduced in three stages by widening the angle of the fuel injection cone the fuel particles are made smaller in size, the ignitability of the fuel is improved and ultimately the length of the flame is shortened. The atomization of the fuel is achieved through the application of a vortex flow with a . Increased to the fuel injection cone in the same direction of swirl. In addition, the injected air penetrates the fuel injection cone, which leads to an internal turbulence and Mix leads. - Since the combustion pressure rises during the combustion process, a pressure compensation piston 44 additional air from the combustion air source, which as shown in FIG. 1, may be a compressor, wherein the air flows through an annular space 46 arranged around the fuel supply line to meet the air in the central Mix the air chamber 38 before blowing it into the combustion chamber 12. The air from the outer ring of the openings 32 passes into the fuel injection cone without the injection cone to contract or shrink because the airflow has its own vortex components and because of the cone angle of the vortex through that of the inner ring of openings 42

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kommenden Luftstrom vergrößert wird«, Die Mischung von Frischluft mit den kreisendenjbrennbaren Brenngasstrom kann schnell erreicht und· der ¥erbrennungslastfaktor kann, auf einen .Stand erhöht werden, In welchem eine stabile ¥erbrennungszqne und ein stabiles Verhältnis von Brennst off/Luft wirksam und In hohem Maße aufrechterhalten werden können«, Die Mischung -von Brennstoff und Luft wird somit ausreichend gefördert und der auf einer unvollständigen Yerbrennung beruhende Kohlenstof £- ausstoß wird verminderteThe mixture of fresh air with the circulating combustible fuel gas stream can be achieved quickly and the combustion load factor can be increased to a level in which a stable combustion zone and a stable fuel / air ratio are effective and high measurements can be maintained, "the mixture -from fuel and air is thus sufficiently promoted and based on an incomplete Yerbrennung CARBON £ - is reduced ejection

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Claims (1)

PatentansprücheClaims Brenner für eine Gasturbine mit einem Brennraum, mit Brennstoffzufuhr, mit einem unter Druck stehende Verbrennungsluft liefernden Kompressor und mit Zufuhr von unter Druck stehendem Zerstäubungsmittel zum Brennstoff, gekennzeichnet durch eine mit dem Brennraum (12) in Verbindung stehende, diesem Raum Brennstoff zuführende Brennstoffdüse (18) mit wenigstens einer Öffnung, durch eine Zerstäubungsmittelkammer (34) mit wenigstens einer Öffnung (36), aus der das Zerstäubungsmittel in den Brennraum (12) derart austritt, daß es mit dem darin strömenden Brennstoff zusammentrifft, durch eine erste Reihe von schräggestellten, um die Brennstoffdüse (18) herum angeordneten Öffnungen (42), aus denen dem Brennstoff im Brennraum eine Wirbelbewegung vermittelnde Luftstrahlen austreten, durch eine zweite Reihe von um die Brennstoffdüse herum angeordneten schräggestellten Öffnungen (32), aus denen die Vermischung und die Wirbelbewegung der Brennstoff-Luft-Mischung erhöhende Luftstrahlen austreten, und durch eine mit dem Kompressor (13) und dem Brennraum (12)in Verbindung stehende Ringkammer (20) mit darin im allgemeinen radial angeordneten Leitschaufeln (26), die der durchströmenden Luft zum Eintritt in den Brennraum eine Wirbelbewegung vermitteln, wobei die ersten und zweiten Öffnungen (42,32) und die Leitschaufeln (26) dem hindurchtretenden Strömungsmittel jeweils im allgemeinen den gleichen Strömungswinkel mit Bezug auf die Achse des Brennraumes geben und wo-bei die Leitschaufeln (26) und die ersten und zweiten Öffnungen (42,32) einander zusammenwirkend zugeordnet sind, um der Luft und dem Brennstoff eine Wirbelbewegung zu geben, die Verwirbelung zu steigern und die Raucherzeugung zu vermindern.Burner for a gas turbine with a combustion chamber, with Fuel supply, with a pressurized combustion air supplying compressor and with supply of pressurized atomizing agent to the fuel, characterized by a fuel nozzle (18) which is connected to the combustion chamber (12) and supplies fuel to this chamber and has at least an opening through an atomizing agent chamber (34) with at least one opening (36) from which the atomizing agent exits into the combustion chamber (12) in such a way that it meets the fuel flowing therein through a first row of inclined openings (42) arranged around the fuel nozzle (18), from which the fuel in the combustion chamber a whirling movement of air emerges, through a second series of inclined orifices (32) around the fuel nozzle from which the Mixing and the vortex movement of the fuel-air mixture increasing air jets exit, and through a with the compressor (13) and the combustion chamber (12) in communication with the annular chamber (20) with generally radially arranged therein Guide vanes (26), which impart a swirling motion to the air flowing through to enter the combustion chamber, the first and second openings (42,32) and the guide vanes (26) the fluid passing therethrough, respectively, in general give the same flow angle with respect to the axis of the combustion chamber and where-with the guide vanes (26) and the first and second openings (42,32) cooperatively associated with one another to swirl the air and fuel to give, to increase the turbulence and to reduce the generation of smoke. 2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Öffnungen (42) zur Achse des Brennraumes einen Winkel vort 30 bis 45° haben, daß die zweiten Öffnungen (32) zur Achse2. Burner according to claim 1, characterized in that the first openings (42) to the axis of the combustion chamber at an angle have before 30 to 45 ° that the second openings (32) to the axis 409821/0788409821/0788 • ■ - 7 - ■■■■■'"• ■ - 7 - ■■■■■ '" ■-.-". .2355.1.2? .■ -.- ". .2355.1.2?. des Brennraumes einen Winkel von 30 bis 35 haben und daß die Leitschaufeln (26) unter einem Winkel von"30 bis 35° zur Achse des Brennraumes angeordnet sindo of the combustion chamber have an angle of 30 to 35 and that the guide vanes (26) are arranged at an angle of "30 to 35 ° to the axis of the combustion chamber o 3 ο Brenner nach Anspruch 1 oder 29 dadurch gekennzeichnet „■ daß die ersten Öffnungen (42) ringförmig das Ausströmende der Brennstoffdüse umgebenρ während die zweiten Öffnungen (32) radial auswärts von den ersten Öffnungen (42) angeordnet sind» . ".-."'■■3 ο burner according to claim 1 or 2 9 characterized "■ that the first openings (42) ring-shaped surround the outflow end of the fuel nozzle while the second openings (32) are arranged radially outward from the first openings (42)". ".-."'■■ 4ο Brenner für eine Gasturbine mit einem Brennraum, mit Brennstoffzufuhr? mit einem unter Druck stehende Verbrennungsluft liefernden Kompressor und mit Zufuhr von unter Druck stehendem Zerstäubungsmittel zum Brennstoffs gekennzeichnet durch eine mit dem Brennraum (1.2) in Verbindung stehende 9 diesem Raum Brennstoff zuführende Brennstoffdüse (18) mit wenigstens einer öffnung9 durch eine Zerstäubungsmittelkammer (34) mit wenigstens einer öffnung (36) aus der das Zerstäubungsmittel in den Brennraum (12) derart austritts daß es mit dem darin strömenden Brennstoff zusammentrifft, durch eine erste, um die Brennstoffdüse (18) radial angeordnete innere Reihe von schräggestellten Öffnungen (42)p aus denen dem Brennstoff im Brennraum eine Wirbelbexvegüng vermittelnde Luftstrahlen austreten^ und durch eine zweiteP radial auswärts von der ersten Reihe angeordnete Reihe von Öffnungen (32.) f die im allgemeinen senkrecht zum Brennstoffkegel stehen und aus denen Luftstrahlen austreten, die im Zentrum des Wirbels eine den Kohlenstoff und die Rauchbildung vermindernde Verwirbelung hervorrufen.4ο Burner for a gas turbine with a combustion chamber, with fuel supply ? marked with a pressurized combustion air supplying compressor and with a supply of pressurized atomizing agent for the fuel through a standing with the combustion chamber (1.2), in compound 9 this space fuel supplying fuel nozzle (18) having at least one opening 9 by a Zerstäubungsmittelkammer (34) with at least one opening (36) from which the atomizing means into the combustion chamber (12) s exits so that it coincides with the flowing therein fuel, by a first, around the fuel nozzle (18) disposed radially inner set of inclined openings (42) p from which the fuel in the combustion chamber a Wirbelbexvegüng leak-promoting air jets ^ and disposed radially outward through a second P of the first row array of apertures (32) f which are generally perpendicular to the fuel cone and from which exit air jets at the center of the vortex a carbon and smoke-reducing V cause turbulence. 5. Brenner nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine mit dem Kompressor (13) und dem Brennraum (12) in Verbindung' stehende Ringkammer (20),- in der im allgemeinen radial ange-.ordnete, der durchströmenden Luft bei ihrem Eintritt in den Brennraum eine Wirbelbewegung vermittelnde Ueitschaufeln (26) untergebracht sind,5. Burner according to claim 4, characterized by a with the compressor (13) and the combustion chamber (12) connected to the annular chamber (20) - in the generally radially arranged, Ueitschaufeln imparting a vortex movement to the air flowing through as it enters the combustion chamber (26) are housed, 4 0 9 8 2 1/07884 0 9 8 2 1/0788 6. Brenner nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (26) und die ersten , innen liegenden öffnungen (42) zur Achse des Brennraumes (12) unter einem Winkel von 30 bis 35° angeordnet sind.6. Burner according to claim 5 »characterized in that the Guide vanes (26) and the first, inner openings (42) are arranged at an angle of 30 to 35 ° to the axis of the combustion chamber (12). 7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Zerstäub .aigsmlttel Drucfctfu/t die7. Burner according to one of claims 1 to 6, characterized in that .aigsmlttel Drucfctfu / t the atomizer Dipl.-In/./y. MeiDipl.-In /./ y. Mei ■'anwalt■ 'attorney 4 0 9 8 2 1/074 0 9 8 2 1/07 ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
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