DE4326802A1

DE4326802A1 - Brennstofflanze für flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe sowie Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE4326802A1
Application number: DE4326802A
Authority: DE
Inventors: Adnan Dr Eroglu; Franz Joos; Peter Novacek; Peter Senior
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd
Priority date: 1993-08-10
Filing date: 1993-08-10
Publication date: 1995-02-16
Also published as: EP0638769B1; EP0638769A2; EP0638769A3; JP3672597B2; DE59408303D1; JPH0777316A; US5487659A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft eine Brennstofflanze für flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe zum Einsatz in einer Brennkammer, wie sie beispielsweise bei Gasturbinen Verwen dung findet.

Stand der Technik

Für die Injektion von flüssigen und/oder gasförmigen Brenn stoffen in die Brennkammer eines Vormischbrenners werden Brennstofflanzen verwendet, die in die Brennkammer hineinra gen und den oder die Brennstoffe in die vorbeiströmende Ver brennungsluft in geeigneter Verteilung einbringen.

Bei der Auslegung derartiger Brennstofflanzen sind verschie dene Forderungen zu erfüllen, die sich teilweise aus den Um gebungsbedingungen und teilweise aus den gestellten Anforde rungen ergeben:

- Die an der Brennstofflanze vorbeiströmende Verbrennungsluft hat eine Temperatur, die weitgehend unabhängig ist von der Strömung des Brennstoffes in der Lanze. Es kann notwendig sein, die Lanze selbst und auch die in ihr geführten Brenn stoffe vor einer zu hohen Temperatur der Verbrennungsluft zu schützen.
- Wenn die Brennkammer mit einem hohen Verhältnis der Brenn stoffmengen zwischen Vollast und Teillast betrieben werden soll, muß dafür Sorge getragen werden, daß in jedem Be triebszustand der Brennstoff in geeigneter Verteilung vor liegt und auf dieselbe Weise in den Strom der Verbrennungs luft eingebracht und gemischt werden kann. Da die Aerodyna mik des Brenners praktisch unabhängig vom Brennstoff ist, muß zur Erzielung einer optimalen Verbrennung sowohl der gasförmige als auch der flüssige Brennstoff in gleicher Weise in den Strom der Verbrennungsluft injiziert werden können.
- Damit der Wirkungsgrad des Brenners möglichst groß wird, sollte so wenig wie möglich Träger- bzw. Hilfsluft in der Lanze verwendet werden.
- Weiterhin ist darauf zu achten, daß sich im Bereich der Brennstofflanze möglichst keine Rezirkulationszonen oder Nachläufe bilden, die mit brennstoffhaltigem Gas gefüllt sind und zu Flammenrückschlägen oder thermoakustischen Schwingungen führen können.
- Bei der Injektion von Flüssigbrennstoff, d. h. insbesondere Öl, muß vermieden werden, das die fein verteilte Öl- Luft-Mischung frühzeitig zündet.
- Für die flüssigen Brennstoffe muß auch vermieden werden, daß sich im Inneren der Lanze aufgrund erhöhter Temperatu ren und Verdampfen des Brennstoffes störende Ablagerungen bilden, da dies den Betrieb der Lanze auf lange Sicht be einträchtigen oder ganz unmöglich machen könnte.

Darstellung der Erfindung

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Brennstofflanze sowie ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben, welche die o.g. An forderungen erfüllen und eine sichere Injektion von gasförmi gem und/oder flüssigem Brennstoff bei gleichzeitig hohem Wir kungsgrad und geringen Schadstoffemissionen gewährleisten.

Die Aufgabe wird bei einer Brennstofflanze für flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe zum Einsatz in der Brennkam mer eines Vormischbrenners gelöst durch

(a) ein entlang einer Lanzenachse verlaufendes Flüssigbrenn stoffrohr, welches einen Flüssigbrennstoffkanal zur Füh rung eines flüssigen Brennstoffes umschließt;
(b) ein das Flüssigbrennstoffrohr umgebendes Gasrohr, welches zwischen sich und dem Flüssigbrennstoffrohr einen Gaska nal zur Führung eines gasförmigen Brennstoffes bildet;
(c) einen das Gasrohr umgebenden Lanzenmantel, welcher zwi schen sich und dem Gasrohr einen Luftkanal zur Führung von Kühl- bzw. Zerstäuberluft bildet;
(d) wenigstens eine, seitlich am stromabwärts gelegenen Ende der Brennstofflanze vorgesehene Luft/Brennstoff-Düse im Lanzenmantel, durch welche Luft aus dem Luftkanal in die die Brennstofflanze umgebende Brennkammer ausströmen kann; wobei
(e) wenigstens eine Gasdüse im Gasrohr angeordnet ist, durch welche Gas aus dem Gaskanal durch den Luftkanal und die wenigstens eine Luft/Brennstoff-Düse hindurch mit der Luft in die Brennkammer ausströmen kann; und wobei
(f) wenigstens eine Flüssigbrennstoffdüse im Flüssigbrenn stoffrohr angeordnet ist, durch welche Flüssigbrennstoff aus dem Flüssigbrennstoffkanal durch den Luftkanal und die wenigstens eine Luft/Brennstoff-Düse hindurch mit der Luft in die Brennkammer ausströmen kann.

Der Kern der Erfindung besteht darin, die Lanze mit einer ge eigneten Düsenanordnung und einer speziellen, die Lanze man telförmig umgebenden Kühlluftzufuhr auszustatten, die es er möglichen, Kühlluft gleichzeitig zur Kühlung von Lanze und Brennstoff, zur Zerstäubung von Flüssigbrennstoff, zur Ver hinderung einer Frühzündung und zur allgemeinen Förderung des Mischprozesses einzusetzen. Hieraus ergibt sich eine optimale Mischung und Verbrennung, die zu einem hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig niedrigen Schadstoffemissionen führt.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstofflanze zeichnet sich dadurch aus, daß die wenig stens eine Luft/Brennstoff-Düse und die wenigstens eine Gas düse kreisförmig ausgebildet und hintereinander auf einer gemeinsamen Düsenachse angeordnet sind, und der Durchmesser der Gasdüse kleiner ist als der Durchmesser der Luft/Brennstoff-Düse. Der aus der Gasdüse heraustretende Gas strom wird auf diese Weise beim Durchtritt durch die Luft/Brennstoff-Düse von einem mantelförmigen Luftstrom umge ben. Hierdurch wird einerseits erreicht, daß sich für den gasförmigen Brennstoff praktisch derselbe Injektionsweg er gibt wie für den flüssigen Brennstoff. Andererseits unter stützt der Luftstrom weitgehend unabhängig von der Gasmenge die Gasinjektion, so daß sich auch bei kleinen Gasströmen die aerodynamischen Verhältnisse in der Brennkammer kaum än dern.

Besonders einfache und gleichförmige Strömungsverhältnisse innerhalb der Lanze und an den Düsen ergeben sich für die verschiedenen Brennstoffe, wenn gemäß einer zweiten bevor zugten Ausführungsform der Erfindung auch die Flüssigbrenn stoffdüse zusammen mit den beiden anderen Düsen auf der ge meinsamen Düsenachse angeordnet ist, und der Durchmesser der Flüssigbrennstoffdüse kleiner ist als der Durchmesser der Gasdüse, und wenn das Flüssigbrennstoffrohr und das Gasrohr im Bereich der Düsen mit dem Lanzenmantel fest verbunden sind. Die feste Verbindung zwischen den inneren Rohren und dem Lanzenmantel sorgt dabei dafür, daß sich die Düsen in ihrer Lage zueinander auch bei thermischen Ausdehnungen prak tisch nicht verschieben können.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist da durch gekennzeichnet, daß das Gasrohr und das Flüssigbrenn stoffrohr in Strömungsrichtung vor der wenigstens einen Luft/Brennstoff-Düse enden, daß die Gasdüse und Flüssig brennstoffdüse am Ende des jeweiligen Rohres angeordnet und parallel zur Lanzenachse orientiert sind, und daß für jede Luft/Brennstoff-Düse und die weiteren Düsen ein schaufelförmiges Leitblech vorgesehen ist, welches die aus den weiteren Düsen austretenden Gas- bzw. Flüssigkeitsströme um etwa 90° umlenkt und in die jeweilige Luft/Brennstoff-Düse einleitet. Hierdurch wird für die Verteilung und Mischung des Flüssig brennstoffs ein luftbetriebener Zerstäuber realisiert, der in der angelsächsischen Literatur als "prefilming atomizer" bekannt ist (siehe dazu auch A. H. Lefebvre, Airblast Atomi zation, Prog. Energy Combust. Sci., Vol.6, S. 233-261 (1980)).

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Brennstofflanze ist der Luftkanal um das strom abwärts gelegene Ende der Brennstofflanze herumgeführt, und in diesem Ende wenigstens eine, weitgehend parallel zur Lan zenachse orientierte Hilfsdüse vorgesehen, durch welche Luft aus dem Luftkanal in die Brennkammer ausströmen kann. Durch die Hilfsdüse wird brennstofffreie Luft in den Raum hinter der Lanzenspitze injiziert, um an dieser kritischen Stelle die Bildung von brennstoffhaltigen Nachläufen und/oder Rezirkula tionszonen zu verhindern.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Brenn stofflanze nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Kühlen der Lanze und zum Verteilen des Brennstoffs durch den Luftkanal Luft mit einer Temperatur bis zu mehreren 100°C, jedoch vorzugsweise von weniger als 600°C, zur Luft/Brennstoff-Düse geführt und dort als ein den Brennstoff strom umgebender Mantelstrom in die Brennkammer geblasen wird. Hierdurch wird eine sichere Kühlung der Lanze auch bei höheren Temperaturen der an der Lanze vorbeistreichenden Verbrennungsluft bzw. Verbrennungsgase erreicht.

Weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brenn stofflanze sowie Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Be triebsverfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Kurze Erläuterung der Figuren

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in der Seitenansicht eine in einer Brennkammer ange ordnete Brennstofflanze nach der Erfindung;

Fig. 2 im Längsschnitt die Spitze eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brenn stofflanze mit den durch Pfeilen angedeuteten Gas- und Flüssigkeitsströmungen, wobei in der oberen Hälf te der Betrieb mit gasförmigem Brennstoff, und in der unteren Hälfte der Betrieb mit flüssigem Brennstoff dargestellt ist;

Fig. 3 im Längsschnitt (Fig. 3A) und teilweisen Querschnitt (Fig. 3B) ein zu Fig. 2 analoges zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel in den zwei Betriebsarten;

Fig. 4 im Längsschnitt (Fig. 4A) und mit separater Darstel lung der Leitbleche (Fig. 4B) ein zu Fig. 2 analoges drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel in den zwei Betriebsarten; und

Fig. 5 ein mit Fig. 2 vergleichbares Ausführungsbeispiel, bei welchem die Gasdüsen in Strömungsrichtung vor den anderen Düsen angeordnet sind.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist in Seitenansicht eine mögliche Anordnung einer beispielhaften Brennstofflanze nach der Erfindung in einer von einem Gehäuse 3 begrenzten Brennkammer 2 einer Gasturbine oder dgl. dargestellt (gezeigt ist dabei nur ein Teilaus schnitt der Kammer). Die Brennstofflanze 1 ist in diesem Beispiel mit ihrer Lanzenachse 5 in der Mittelachse der Brennkammer 2 angeordnet und wird (wie durch die drei langen Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist) von heißer Verbrennungsluft umströmt. Die Brennstofflanze 1 ist daher den aerodynamischen Verhältnissen in der Brennkammer 2 angepaßt und strömungs günstig gestaltet. Sie ist von einem länglichen Lanzenmantel 11 umgeben und über einen seitlich abgehenden Tragarm 4 am Gehäuse 3 befestigt. Der Tragarm 4 ist ebenfalls strömungs günstig gestaltet und kann im eingezeichneten Querschnitt ein flügelähnliches Tragarmprofil 14 aufweisen.

Durch den Tragarm 4 und die Brennstofflanze 1 selbst verlau fen - wie durch den in Fig. 1 gezeigten aufgebrochen Teil der Lanze deutlich wird - mehrere Rohre, durch welche gasförmiger bzw. flüssiger Brennstoff und Kühl- bzw. Zerstäubungsluft zur stromabwärts gelegenen Lanzenspitze geführt und dort in einer später näher zu beschreibenden Weise durch entsprechende Luft/Brennstoff-Düsen 12 und eine Hilfsdüse 13 in die Brenn kammer 2 injiziert wird. Die Rohre umfassen ein in Achsen richtung verlaufendes, innenliegendes Flüssigbrennstoffrohr 7 und ein das Flüssigbrennstoffrohr 7 konzentrisch in einem Abstand umgebendes Gasrohr 9. Das Gasrohr 9 seinerseits ist in einem Abstand konzentrisch vom Lanzenmantel 11 umgeben. Durch die konzentrische und beabstandete Anordnung von Rohren und Mantel werden drei Kanäle gebildet, der innere Flüssig brennstoffkanal 6, der Gaskanal 8 und der Luftkanal 10. Die Kanäle übernehmen je nach Betriebsart der Brennstofflanze 1 unterschiedliche Funktionen, die nachfolgend anhand von drei in den Fig. 2 bis 4 dargestellten bevorzugten Ausführungs beispielen näher erläutert werden sollen.

Fig. 2 zeigt für das erste Ausführungsbeispiel im Längs schnitt die Lanzenspitze, die zur Erläuterung verschiedener Betriebsfälle entlang der Lanzenachse 5 in zwei separate Hälften unterteilt worden ist. Die obere Hälfte bezieht sich mit den eingezeichneten (durch Pfeile markierten) Strömungen auf den Betriebsfall mit ausschließlich gasförmigem Brenn stoff, die untere Hälfte auf den Betriebsfall mit aus schließlich flüssigem Brennstoff. Eine entsprechende zweige teilte Darstellung ist aus denselben Gründen auch bei den an deren Fig. 3 und 4 gewählt worden.

Von links kommend enden in der Lanzenspitze das innere Flüs sigbrennstoffrohr 7, das Gasrohr 9 und der Lanzenmantel 11. Das Gasrohr 9 geht am Ende in einen halbkugelförmigen Rohr kopf 17 über, der das Rohr abschließt. Das Flüssigbrennstoffrohr 7 ist stumpf auf die Innenfläche des Rohrkopfes 17 geschweißt (oder gelötet) und auf diese Weise zum Ende hin abgeschlossen. Der Lanzenmantel 11 umschließt den Rohrkopf 17 in einem Abstand in Form einer Halbkugelscha le, so daß der zwischen Lanzenmantel 11 und Gasrohr 9 gebil dete Luftkanal 10 bis in die unmittelbare Lanzenspitze reicht und den Rohrkopf 17 außen umschließt. Zwischen dem Rohrkopf 17 und der vorderen Halbkugelschale des Lanzenmantels 11 sind eine Mehrzahl von Verbindungsstegen 16 eingeschweißt oder -gelötet. Auf diese Weise bilden die beiden Rohre 7 und 9 und der Lanzenmantel 11 im Bereich der Lanzenspitze eine stabile, fest verbundene Einheit, die eine durch thermische Ausdehnung verursachte Verschiebung der Rohre untereinander verhindert.

Im Bereich der Rohrenden sind mehrere (vorzugsweise 4) Sätze von Düsen vorgesehen, die jeweils entlang einer senkrecht (oder schräg) zur Lanzenachse 5 stehenden Düsenachse 24 ange ordnet sind. Die Düsensätze sind entlang dem Umfang der Brennstofflanze 1 nach Anzahl und Winkelabstand so verteilt, daß sie bei einem vorgegebenen Sekundärmuster der Brennkam merströmung eine optimale Vermischung unter Vermeidung von Nachläufen gewährleisten. Jeder Düsensatz umfaßt eine im Flüssigbrennstoffrohr 7 eingelassene Flüssigbrennstoffdüse 18, eine im Gasrohr eingelassene Gasdüse 15 und eine im Lan zenmantel 11 eingelassene Luft/Brennstoff-Düse 12. Jede der Düsen 12, 15 und 18 ist vorzugsweise kreisrund. Ihre Durch messer sind abgestuft, wobei die innere Flüssigbrennstoffdüse 18 den kleinsten und die äußere Luft/Brennstoff-Düse den größten Durchmesser aufweist. Zahl und Durchmesser der Flüssigbrennstoffdüsen 18 richten sich nach der im Normalfall auftretenden Durchflußmenge des Flüssigbrennstoffs. Es ist dabei darauf zu achten, daß die Düsendurchmesser nicht zu klein werden damit die Düsen bei der Bildung von festen Ab lagerungen nicht verstopfen. Im übrigen darf die Anzahl der durch die Düsen in die Brennkammer injizierten Brennstoff strahlen nicht zu groß sein, damit nicht die Aerodynamik um die Brennstofflanze 1 herum so weit gestört wird, daß sich vermehrt brennstoffhaltige Nachläufe hinter der Lanze bilden.

Bei dem in der oberen Hälfte von Fig. 2 dargestellten Be triebsfall mit reiner Gasinjektion wird der innere Flüssig brennstoffkanal 6 überhaupt nicht verwendet. Das brennbare Gas strömt durch den Gaskanal 8 und die Gasdüse 15 und bildet dort einen radial nach außen gerichteten Gasstrahl, der durch die Luft/Brennstoff-Düse 12 in die Brennkammer 2 tritt. Gleichzeitig wird durch den Luftkanal 10 Kühlluft mit einer Temperatur bis zu mehreren 100°C, jedoch vorzugsweise weniger als 600°C, geschickt, die ebenfalls aus der Luft/Brennstoff- Düse radial in die Brennkammer austritt und den Gasstrahl zunächst als mantelförmiger Strom umgibt. Die Kühlluft hat dabei mehrere Funktionen: zum einen kühlt sie den Lanzenman tel 11 und bildet einen thermischen Schutzmantel für die weiter innenliegenden Brennstoffkanäle. Zum anderen erzeugt sie an der Luft/Brennstoff-Düse 12 einen stabilen, gleich bleibenden Luftstrahl, unabhängig davon, wieviel Gas durch die Lanze eingespeist wird, so daß selbst bei geringen Durchflußmengen von gasförmigem Brennstoff die Konfiguration der Injektionsstrahlen weitgehend unverändert bleibt. Schließlich ermöglicht und unterstützt der Mantel relativ kühler Luft eine für eine effiziente Verbrennung notwendige, ausreichend lange Durchmischung des gasförmigen Brennstoffes mit der Verbrennungsluft in der Brennkammer 2, weil eine frühzeitige Selbstzündung des Gemisches sicher vermieden wird.

Bei dem in Fig. 2 in der unteren Hälfte dargestellten Be triebsfall mit reiner Flüssigbrennstoffinjektion wird durch den inneren Flüssigbrennstoffkanal 6 ein flüssiger Brenn stoff, meist eine Öl-Wasser-Einulsion, zur Flüssigbrennstoff düse 18 geführt und dort als Flüssigkeitsstrahl radial nach außen ausgestoßen. Durch den Gaskanal 8 wird in diesem Fall Luft herangeführt, die durch die Gasdüse 15 austritt und in Wechselwirkung mit dem gleichfalls durch die Gasdüse 15 durchtretenden Flüssigkeitsstrahl eine feine Zerstäubung des Flüssigbrennstoffs in lauter kleine Tröpfchen bewirkt (Uplain-jet airblast atomization"). Der Zerstäubungsstrahl wird dann an der Luft/Brennstoff-Düse 12 in gleicher Weise wie oben beschrieben von einem Kühlluftmantel umgeben (der auch zur Zerstäubung beiträgt) und endgültig in die Brennkam mer 2 injiziert. Zusätzlich zu der Kühlung durch die im Luft kanal 10 strömende Luft wird durch die Hilfsluft im Gaskanal 8 eine weitere thermische Abschirmstufe zur Verfügung ge stellt. Hierdurch kann der Flüssigbrennstoff im Flüssigbrenn stoffkanal 6 auf Temperaturen werden, bei denen feste Ablage rungen sicher vermieden werden.

Wie aus den obigen Darlegungen hervorgeht, hat die Kühl- bzw. Hilfsluft in der erfindungsgemäßen Lanze gleichzeitig meh rere Funktionen:

(i) Sie kühlt die Lanze und schützt die in nenliegenden Brennstoffkanäle vor zu hohen Temperaturen.
(ii) Sie kühlt bei der Injektion die Brennstoffstrahlen und verzö gert damit deren Erhitzung, so daß vor der Selbstzündung ei ne ausreichende Durchmischung mit der Verbrennungsluft statt finden kann.
(iii) Sie treibt als Hilfsluft die notwendige Zerstäubung eines Flüssigbrennstoffes.
(iv) Sie unterstützt beim Austritt durch die Luft/Brennstoff-Düsen 12 als Mantel strom die Vermischung des Brennstoffstrahles in der Brennkam mer.
(v) Sie erhält auch bei geringen Brennstoffströmen das aus den Düsensätzen austretende Strahlsystem aufrecht.

Beim all diesen Vorgängen wird durch die spezielle Anordnung der Düsen 12, 15 und 18 erreicht, daß sich, unabhängig da von, ob gasförmiger oder flüssiger Brennstoff verwendet wird, stets dieselbe aerodynamische Konfiguration ergibt, d. h., die Brennstoffstrahlen in gleicher Weise in die Brennkammer 2 in jiziert werden. Wegen der stabilen Verbindung der Rohre 7, 9 untereinander und mit dem Lanzenmantel 11 bleibt die einach sige Anordnung der Düsensätze und damit die aerodynamische Konfiguration auch dann erhalten, wenn durch unterschiedliche Temperaturverteilungen thermische Spannungen in der Lanze vorhanden sind.

Die Luft aus dem Luftkanal 10 kann vorteilhafterweise noch eine weitere Funktion übernehmen: In Strömungsrichtung hinter der Lanzenspitze können sich aus strömungstechnischen Gründen grundsätzlich brennstoffhaltige Nachläufe bilden, die zu Flammenrückschlägen oder thermoakustischen Schwingungen (Pulsationen) führen. Derartige Erscheinungen sind nicht to lerierbar, weil sie die Brennkammer belasten und vor allem zu erhöhten Schadstoffemissionen führen. Zu ihrer Verhinderung wird an der Lanzenspitze vorzugsweise eine zentral in der Lanzenachse 5 angeordnete Hilfsdüse 13 vorgesehen, durch die ein brennstofffreier Luftstrom aus dem Luftkanal 10 in den hinter der Spitze liegenden Teil der Brennkammer injiziert wird. Zugleich wird mit dieser Maßnahme auch erreicht, daß die Brennstofflanze 1 bis in die vorderste Spitze gekühlt wird.

In Fig. 3 ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Brennstofflanze nach der Erfindung wiedergegeben. Fig. 3A entspricht dabei in seiner Darstellungsform der Fig. 2; Fig. 3B ist ein teilweiser Querschnitt durch die Lanze entlang der Linie A-A aus Fig. 3A, wobei der Bereich mit den Flüssigbrennstoffdüsen 18 in Fig. 3A um die Lanzenachse 5 verdreht dargestellt ist. Die gezeigte Ausführungsform weicht von der aus Fig. 2 vor allem hinsichtlich der Anordnung der Flüssigbrennstoffdüsen 18 ab: Die Düsen 18 sind hier nicht länger mit den anderen Düsen 12 und 15 zusammen auf einer ge meinsamen Düsenachse 24 angeordnet, sondern von der Lanzen spitze weg nach hinten verschoben und gleichzeitig um die Lanzenachse 5 gedreht (Fig. 3B), so daß ein aus ihnen her austretender Strahl auch nicht länger direkt durch die beiden anderen Düsen 15, 12 nach außen tritt. Da eine starre Lage der Flüssigbrennstoffdüsen 18 zu den anderen Luft/Brennstoff- Düsen 12, 15 in diesem Fall nicht mehr nötig ist, kann das Flüssigbrennstoffrohr 7 bereits vor dem Rohrkopf 17 enden und braucht nicht am Rohrkopf 17 befestigt zu werden.

Eine weitere Abweichung im Bezug auf das Beispiel aus Fig. 2 ergibt sich dadurch, daß in die Gasdüsen 15 jeweils ein Leitrohr 19 eingepaßt ist, welches von der Gasdüse 15 aus durch den Luftkanal 10 hindurch in die zugeordnete Luft/Brennstoff-Düse 12 hineinreicht. Hierdurch wird die be reits oben beschriebene Mantelstrombildung begünstigt, so daß ein durch das Leitrohr 19 strömender Gasstrom beim Aus tritt aus der Luft/Brennstoff-Düse 12 relativ geschützt in die Brennkammer 2 gelangt.

Im oberen Teilbild der Fig. 3A ist - wie in Fig. 2 - der Be triebsfall mit gasförmigem Brennstoff dargestellt, in dem das Flüssigbrennstoffrohr 7 leer ist und nicht benutzt wird. Die Bildung des Injektionsstrahles erfolgt hier vollkommen analog zu Fig. 2. Im unteren Teilbild ist der Betriebsfall mit Flüs sigbrennstoff wiedergegeben: der Flüssigbrennstoff tritt als Strahl aus der Flüssigbrennstoffdüse 18 aus, wird durch im Gaskanal 8 herangeführte Hilfsluft an der Innenwand des Gas rohres 9 entlang zur Gasdüse 15 mitgerissen und dort zusammen mit der Hilfsluft durch das Leitrohr 19 abgeblasen, wobei gleichzeitig eine Zerstäubung stattfindet ("air assist atomi zer"). zusätzliche Ringbleche 20 auf beiden Seiten der Flüs sigbrennstoffdüsen 18 verbessern dabei die Strömungsverhält nisse.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Brenn stofflanze nach der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Fig. 4A entspricht wieder Fig. 2 bzw. Fig. 3A, während in Fig. 4B aus einer Sicht in Strömungsrichtung die besondere Form der verwendeten Leitbleche und ihr Zusammenwirken mit den Düsen gezeigt wird. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind die Luft/Brennstoff-Düsen 12 an derselben Stelle angeordnet wie bei den Ausführungsbeispielen aus den Fig. 2 und 3. Deut lich anders dagegen ist die Anordnung der anderen Düsen: Das Gasrohr 9 und das Flüssigbrennstoffrohr 7 enden in Strömungs richtung bereits vor den Luft/Brennstoff-Düsen 12. Die jeder Luft/Brennstoff-Düse 12 zugeordnete Gasdüse 15 und Flüssig brennstoffdüse 18 befinden sich am Ende des jeweiligen Rohres (9 bzw. 7) und sind parallel zur Lanzenachse 5 orientiert. Für jede Luft/Brennstoff-Düse 12 und die zugeordneten Düsen 15, 18 ist ein schaufelförmiges Leitblech 22 vorgesehen, wel ches die aus den zugeordneten Düsen 15, 18 austretenden Gas bzw. Flüssigkeitsströme um etwa 90° umlenkt und in die jewei lige Luft/Brennstoff-Düse 12 einleitet. Wie man aus Fig. 4B erkennt, sind die Leitbleche 22 kleeblattartig um die Lan zenachse 5 herum angeordnet.

Jedes Leitblech 22 läuft vorzugsweise im Bereich der Luft/Brennstoff-Düse 12 in einem geschlossenen Blechring 23 aus, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Luft/Brennstoff-Düse 12. Die umgelenkten Ströme aus den zu geordneten Düsen 15, 18 sind so beim Austreten aus der Luft/Brennstoff-Düse 12 wiederum mantelförmig von einem Luft strom umgeben. In die Gasdüsen 15 kann jeweils zusätzlich ein Leitrohr 19 eingepaßt sein, um eine sichere Umlenkung der Gasströme durch die Leitbleche 22 zu gewahrleisten. Die Leitbleche 22 sind im Bereich der Düsen (12, 15, 18) mit dem Lanzenmantel 11 fest verbunden, so daß sie sich relativ zur Luft/Brennstoff-Düse 12 nicht verschieben können. Die Verbin dung erfolgt über einen Rohrkopf 21 in Form einer Halbkugel schale, der die Stelle des Rohrkopfes 17 aus Fig. 2 bzw. Fig. 3 einnimmt und mittels der bereits erwähnten Verbindungsstege 16 am Lanzenmantel 11 verankert ist.

Im oberen Teilbild der Fig. 4 ist wiederum der reine Gasbe trieb dargestellt, bei dem das Flüssigbrennstoffrohr 7 nicht verwendet wird. Der Gasstrom tritt hier aus dem Gaskanal 8 durch das Leitrohr 19 aus, wird von dem Leitblech 22 umge lenkt, durch den Blechring 23 gebündelt und durch die Luft/Brennstoff-Düse 12 mit einem Luftstrom ummantelt in die Brennkammer ausgestoßen. Beim Flüssigbrennstoffbetrieb im unteren Teilbild wird in diesem Fall der Gaskanal 8 nicht be nutzt: Der aus der Flüssigbrennstoffdüse 18 austretende Strahl wird ohne Hilfsluft als Flüssigkeitsfilm an der In nenwand des Leitbleches 22 zur Luft/Brennstoff-Düse 12 gelei tet und dort durch Abriß feinster Tröpfchen an der Außen kante des Blechrings zerstäubt ("prefilmer atomizer").

Ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Brenn stofflanze nach der Erfindung ist in der Fig. 5 dargestellt. In diesem Beispiel sind nur die Flüssigbrennstoffdüsen 18 und die entsprechenden Luft/Brennstoff-Düsen 12 in einer Düsen achse 24 angeordnet. Die Gasdüsen 15 sind unabhängig davon in Strömungsrichtung vor den anderen Düsen 12, 18 plaziert. Im Falle des Gasbetriebs (obere Hälfte der Figur) vermischt sich das Gas bereits vor der Luft/Brennstoff-Düse 12 im Luftkanal 10 intensiv mit der Kühlluft. Die Gas-Luft-Mischung tritt dann durch die Luft/Brennstoff-Düse 12 in die Brennkammer aus. Ein vor der Gasdüse 15 beginnendes und an der Gasdüse vorbeilaufendes Luftrohr 20 führt dabei brennstofffreie Kühlluft in den Kopfbereich der Lanze, wo sie zur Verhinde rung von Nachläufen durch die Hilfsdüse 13 in die Brennkammer injiziert wird. Im Falle des Flüssigbrennstoffbetriebs (unteres Teilbild von Fig. 5) strömt der Flüssigbrennstoff aus der im Rohrkopf 17 untergebrachten Flüssigbrennstoffdüse 18 am Luftrohr 20 vorbei direkt in die Luft/Brennstoff-Düse 12, wo er in der bereits beschriebenen Weise mit der Kühlluft aus dem Luftkanal 10 zusammenwirkt.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine Brennstofflanze, die in derselben aerodynamischen Konfiguration gasförmige und flüssige Brennstoffe injizieren kann, auch bei hohen Brenn gastemperaturen sicher arbeitet, eine optimale Zerstäubung von Flüssigbrennstoffen erlaubt und durch einen verlängerten Mischvorgang sehr niedrige Schadstoffemissionen ermöglicht.

Bezugszeichenliste

1 Brennstofflanze
2 Brennkammer
3 Gehäuse
4 Tragarm
5 Lanzenachse
6 Flüssigbrennstoffkanal
7 Flüssigbrennstoffrohr
8 Gaskanal
9 Gasrohr
10 Luftkanal
11 Lanzenmantel
12 Luft/Brennstoff-Düse
13 Hilfsdüse
14 Tragarmprofil
15 Gasdüse
16 Verbindungssteg
17, 21 Rohrkopf
18 Flüssigbrennstoffdüse
19 Leitrohr
20 Luftrohr
22 Leitblech
23 Blechring
24 Düsenachse

Claims

1. Brennstofflanze für flüssige und/oder gasförmige Brenn stoffe zum Einsatz in einer Brennkammer (2), gekennzeichnet durch

(a) ein entlang einer Lanzenachse (5) verlaufendes Flüssig brennstoffrohr (7), welches einen Flüssigbrennstoffkanal (6) zur Führung eines flüssigen Brennstoffes umschließt;
(b) ein das Flüssigbrennstoffrohr (7) umgebendes Gasrohr (9), welches zwischen sich und dem Flüssigbrennstoffrohr (7) einen Gaskanal zur Führung eines gasförmigen Brennstoffes bildet;
(c) einen das Gasrohr (9) umgebenden Lanzenmantel (11), wel cher zwischen sich und dem Gasrohr (9) einen Luftkanal (10) zur Führung von Kühl- bzw. Zerstäuberluft bildet;
(d) wenigstens eine, seitlich am stromabwärts gelegenen Ende der Brennstofflanze (1) vorgesehene Luft/Brennstoff-Düse (12) im Lanzenmantel (11), durch welche Luft aus dem Luftkanal (10) in die die Brennstofflanze (1) umgebende Brennkammer (2) ausströmen kann; wobei
(e) wenigstens eine Gasdüse (15) im Gasrohr (9) angeordnet ist, durch welche Gas aus dem Gaskanal (8) durch den Luftkanal (10) und die wenigstens eine Luft/Brennstoff- Düse (12) hindurch mit der Luft in die Brennkammer (2) ausströmen kann; und wobei
(f) wenigstens eine Flüssigbrennstoffdüse (18) im Flüssig brennstoffrohr (7) angeordnet ist, durch welche Flüssig brennstoff aus dem Flüssigbrennstoffkanal (6) durch den Luftkanal (10) und die wenigstens eine Luft/Brennstoff- Düse (12) hindurch mit der Luft in die Brennkammer (2) ausströmen kann.

2. Brennstofflanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Luft/Brennstoff-Düse (12) und die wenigstens eine Gasdüse (15) kreisförmig ausgebildet und hintereinander auf einer gemeinsamen Düsenachse (24) angeord net sind, und der Durchmesser der Gasdüse (15) kleiner ist als der Durchmesser der Luft/Brennstoff-Düse (12).

3. Brennstofflanze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Gasdüse (15) ein Leitrohr (19) eingepaßt ist, welches von der Gasdüse (15) aus durch den Luftkanal (10) hindurch in die Luft/Brennstoff-Düse (12) hineinreicht, der art, daß ein durch das Leitrohr (19) strömender Gasstrom beim Austritt aus der Luft/Brennstoff-Düse (12) mantelförmig von einem Luftstrom umgeben ist.

4. Brennstofflanze nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Flüssigbrennstoffdüse (18) zu sammen mit den beiden anderen Düsen (12, 15) auf der gemein samen Düsenachse (24) angeordnet ist, und der Durchmesser der Flüssigbrennstoffdüse (18) kleiner ist als der Durchmesser der Gasdüse (15).

5. Brennstofflanze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigbrennstoffrohr (7) und das Gasrohr (9) im Be reich der Düsen (12, 15, 18) mit dem Lanzenmantel (11) fest verbunden sind.

6. Brennstofflanze nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigbrennstoffdüse (18) gegenüber der Gasdüse (15) aus der Düsenachse (24) heraus seitlich ver schoben ist, und das Gasrohr (9) im Bereich der Düsen (12, 15, 18) mit dem Lanzenmantel (11) fest verbunden ist.

7. Brennstofflanze nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasrohr (9) am stromabwärts gelege nen Ende der Brennstofflanze (1) in einen abgerundeten, ge schlossenen Rohrkopf (17) übergeht, welcher von dem Luftkanal (10) und dem Lanzenmantel (11) umgeben wird und mittels einer Mehrzahl von den Luftkanal (10) durchquerenden Verbindungs stegen (16) am Lanzenmantel (11) befestigt ist.

8. Brennstofflanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasrohr (9) und das Flüssigbrennstoffrohr (7) in Strömungsrichtung vor der wenigstens einen Luft/Brennstoff- Düse (12) enden, daß die Gasdüse (15) und Flüssigbrennstoff düse (18) am Ende des jeweiligen Rohres (9 bzw. 7) angeordnet und parallel zur Lanzenachse (5) orientiert sind, und daß für jede Luft/Brennstoff-Düse (12) und die weiteren Düsen (15, 18) ein schaufelförmiges Leitblech (22) vorgesehen ist, welches die aus den weiteren Düsen (15, 18) austretenden Gas bzw. Flüssigkeitsströme um etwa 90° umlenkt und in die jewei lige Luft/Brennstoff-Düse (12) einleitet.

9. Brennstofflanze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitblech im Bereich der Luft/Brennstoff-Düse (12) in einem geschlossenen Blechring (23) ausläuft, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Luft/Brennstoff-Düse (12), derart, daß die umgelenkten Strö me aus den weiteren Düsen (15, 18) beim Austreten aus der Luft/Brennstoff-Düse (12) mantelförmig von einem Luftstrom umgeben sind.

10. Brennstofflanze nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die Gasdüse (15) zusätzlich ein Leit rohr (19) eingepaßt ist, und daß das Leitblech (22) im Be reich der Düsen (12, 15, 18) mit dem Lanzenmantel (11) fest verbunden ist.

11. Brennstofflanze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß auf dem Umfang der Brennstofflanze (1) eine Mehrzahl von Düsen, vorzugsweise 4, nach Maßgabe der die Brennstofflanze (1) umgebenden Strömung verteilt an geordnet sind.

12. Brennstofflanze nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß der Luftkanal (10) um das stromab wärts gelegene Ende der Brennstofflanze (1) herumgeführt ist, und in diesem Ende wenigstens eine, weitgehend parallel zur Lanzenachse (5) orientierte Hilfsdüse (13) vorgesehen ist, durch welche Luft aus dem Luftkanal (10) in die Brennkammer (2) ausströmen kann.

13. Brennstofflanze nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß die Brennstofflanze (1) über einen seitlichen Tragarm (4) mit einem strömungsgünstigen Tragarm profil (14) an einem die Brennkammer (2) umgebenden Gehäuse (3) befestigt ist, und daß die Rohre (7, 9) im Inneren des Tragarms (4) aus der Brennkammer (2) herausgeführt sind.

14. Brennstofflanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Gasdüse (15) in Strömungsrichtung vor den anderen Düsen (12, 18) angeordnet ist.

15. Brennstofflanze nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß am stromabwärts gelegenen Ende der Brennstofflanze (1) wenigstens eine, weitgehend parallel zur Lanzenachse (5) ori entierte Hilfsdüse (13) vorgesehen ist, durch welche Luft aus dem Luftkanal (10) in die Brennkammer (2) ausströmen kann, und daß Luftrohre (20) vorgesehen sind, über welche Brenn stofffreie Kühlluft an der Gasdüse (15) vorbei zur Hilfsdüse (13) geleitet werden kann.

16. Verfahren zum Betrieb einer Brennstofflanze nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum Küh len der Lanze und zum Verteilen des Brennstoffs durch den Luftkanal (10) Luft mit einer Temperatur von bis zu mehreren 100°C, jedoch vorzugsweise von weniger als 600°C, zur Luft/Brennstoff-Düse (12) geführt und dort als ein den Brenn stoffstrom umgebender Mantelstrom in die Brennkammer (2) ge blasen wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff Gas durch den Gaskanal (8) und die Gasdüse (15) zur Luft/Brennstoff-Düse (12) geführt und dort mit dem Luftstrom vermischt wird, während der Flüssigbrennstoffkanal (6) unbenutzt bleibt.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff Flüssigbrennstoff, vorzugsweise in Form einer Emulsion, durch den Flüssigbrennstoffkanal (6) und die Flüs sigbrennstoffdüse (18) zur Luft/Brennstoff-Düse (12) geführt und dort mit dem Luftstrom vermischt wird, und daß zum bes seren Verteilen und zusätzlichen Kühlen des Flüssigbrennstof fes zusätzlich Luft durch den Gaskanal (8) zur Luft/Brennstoff-Düse (12) geführt wird.