EP0122526B1

EP0122526B1 - Brennstofflanze für die Brennkammer einer Gasturbine

Info

Publication number: EP0122526B1
Application number: EP84103522A
Authority: EP
Inventors: Laan Dr. Hellat
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1983-04-13
Filing date: 1984-03-30
Publication date: 1987-05-20
Also published as: JPS59197736A; EP0122526A1; US4761958A; DE3463836D1; JPH0531050B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einer Brennstofflanze gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei herkömmlichen Brennkammern, die mit einem gasförmigen Brennstoff betrieben werden, findet die Regulierung der Brennstoffmenge - von der Flammenfront in der Brennkammer ausgesehen - weiter stromaufwärts statt, d.h., zwischen Mengenregulierung und Entzündungsebene des gasförmigen Brennstoffes oder eines Brennstoff/Luft-Gemisches entsteht stets eine mehr oder weniger lange Gassäule, die Ursache ist, dass es in der Brennkammer zu selbsterregten Schwingungen kommen kann. Die Modulation des in die Brennkammer eingedusten gasförmigen Brennstoffes oder eines Brennstoff/Luft-Gemisches, wie beispielsweise aus DE-A-22 27 281 entnommen werden kann, beruht auf Druckschwankungen in der Düsenebene. Der für die Selbsterregung notwendige Rückkopplungskreis ist dann geschlossen, wenn die von den Zufuhrschwankungen bewirkten Aenderungen des Brennstoffumsatzes in der Flammenebene mit dem Brennkammerdruck eine Phasenbedingung erfüllen. Ein klassisches Beispiel hierfür ist die sogenannte "singende Flamme".
Solche Schwingungen lassen sich im wesentlichen auf zwei Arten bekämpfen:

1. Durch Aenderung der akustischen Eigenschaften, d.h. der Inpedanzen der Brennstoffzuleitung oder der Brennkammer. Diese Massnahmen wirken allerdings nur in einem bestimmten Frequenzband, da die Impedanzen von der Frequenz abhängen.
2. Durch akustische Abkopplung des Brennstoffzufuhrsystems mit einer unendlich grossen Eintrittsimpedanz. Man erreicht dies über eine starke Drosselung der Brennstoffzufuhr in der Nähe des Brennkammereintritts, z.B. durch sonische Düsen. Dies setzt voraus, dass der Brennstoff mit einem hinreichend hohen Druck geliefert wird, was auch in den meisten Fällen zutrifft oder bewerkstelligt werden kann. Diese Massnahme wirkt unabhänig von der Frequenz; jedoch kann man hierbei die Brennstoffmenge nicht über einen weiten Bereich variieren. Ein herkömmliches Regulierventil, das der Drosselung und der Mengeneinstellung dient, lässt sich bei einem Brenner üblicher Bauart nur ausserhalb des gesamten Brennersystems anbringen. In diesem Fall verbleibt aber zwischen Regulierventil und Brennkammereintritt immer noch ein Zuleitungssystem, das unter Umständen an einer Schwingung teilnehmen kann.

In DE-C-330 857 besteht der Brenner aus einer feststehenden Gasleitung, die in ein durch Drehung verschiebbares Mischrohr integriert ist. Durch diese manuelle Drehung des Mischrohres wird gleichzeitig und zwangsläufig der Gasaustrittsquerschnitt in der Gasleitung und der Lufteintrittsquerschnitt in das Mischrohr geregelt. Darüber hinaus wird auch der Austrittsquerschnitt für das aus Gas und Luft gebildete Gemisch geregelt. Die Regelung des Gasaustrittsquerschnittes geschieht, indem eine verschiebbare, die Gasleitung ummantelnde Muffe den erwünschten Gasdurchtrittsquerschnitt freigibt.
Zwar geht aus dieser Druckschrift hervor, dass der Gasdurchtrittsquerschnitt aus einer Anzahl axial und über den Umfang der Gasleitung verteilte Gasdurchtrittsbohrungen besteht. Indessen wird hier keine starke Drosselung der Brennstoffzufuhr in der Nähe des Brennkammereintritts angestrebt, noch kann man hier von sonischen Düsen bei der Brennstoffzufuhr sprechen, die erst eine akustische Abkopplung des Brennstoffzufuhrsystems ermöglichen. Hier besteht also die Gefahr, dass von der Brennkammer aus, selbst wenn diese unmittelbar dem Brenner nachgeschaltet wäre, eine akustische Rückkopplung über die nicht sonischen Düsen auf die Brenngasleitung stattfinden kann. Darüber hinaus lässt sich mit dem hier vorgeschlagenen Gasaustrittsquerschnitt keine Regulierung der Brennstoffmenge über einen weiten Bereich erzielen, wodurch der Einsatz des in DE-C-330 857 beschriebenen Brenners allenfalls nur bei Brennkammer mit einer schmalen Leistungsbreite zum Einsatz kommen könnte.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner mit einer Brennstofflanze zu schaffen, der die oben beschriebene Abkopplung der Brennerstoffleitung zur Vermeidung von Brennkammerschwingungen ermöglicht, mit der weiteren Möglichkeit, die Brennstoffmengenregulierung über einen weiten Bereich gewährleisten zu können.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe, bei einem Brenner der eingangs genannten Art, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der Vorteil der Erfindung ist im wesentlichen darin zu sehen, dass auf relativ einfache Weise ein Brenner geschaffen ist, der sowohl eine Abkopplung der Brennstoffleitung zur Vermeidung von Brennkammerschwingungen als auch die Möglichkeit der Brennstoffmengenregulierung über einen weiten Bereich in kompakter Weise in sich vereinigt.
Die Entkopplung wird insofern wirksam, als durch diese kompakte Bauweise der Abstand zwischen Drosselkörper und Düsenaustritt wesentlich kürzer als die Wellenlänge typscher Eingeschwingungen des Brennakmmersystems gehalten werden kann.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Brennstofflanze wahlweise mit zentralem oder radialem Düsenaustritt ausgestaltet werden kann.
Bei der Zufuhr von vorgemischtem Brennstoff liegt ein zusätzlicher Vorteil darin, dass der Drosselkörper gleichzeitig als Flammen-Rückschlagsicherung wirkt.
Im folgenden sind anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt und näher erläutert. Alle für das Verständnis der Erfindung unwesentlichen Elemente sind nicht dargestellt.
Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennstofflanze mit Zufuhr des Brennstoffes durch ein Innenrohr und zentralem Düsenaustritt;
Fig. 2 eine Brennstofflanze mit Zufuhr des Brennstoffes durch ein Innenrohr und radialem Düsenaustritt;
Fig. 3 eine Brennstofflanze mit Zufuhr des Brennstoffes durch das Lanzenrohr und zentralem Düsenaustritt;
Fig. 4 eine Brennstofflanze mit Zufuhr des Brennstoffes druch das Lanzenrohr und radialem Düsenaustritt.

Fig. 1 zeigt stark vereinfacht die Konzeption einer Brennstofflanze 1, die Bestandteil eines nicht dargestellten Brenners ist, der seinerseits Bestandteil einer ebenfalls nicht dargestellten Brennkammer, z.B. einer Gasturbine ist. Beim Brenner kann es sich beispielsweise um einen Diffusionsbrenner mit verdrallter Luftzufuhr handeln. Die Brennstofflanze 1 besteht aus einem Lanzenrohr 2 mit einem zentralen Düsenaustritt 3. Stromaufwärts des Lanzenrohres 2 wird die Brennstofflanze 1 durch eine Büchse 4 gebildet, in der ein axial verstellbarer rohrförmiger Drosselkörper 5 geführt ist. Durch das Rohrinnere 6 findet die Zufuhr des Brennstoff 7 statt. Stromabwärtsseitig ist die Rohrwand 8 im ungeführten Teil des Drosselkörpers 5 in Umfangsrichtung und in axialer Richtung mit Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 versehen. Sowohl deren Anzahl als auch Anordnung ist beliebig; was die Form anbelangt, so können zum Beispiel Bohrungen oder Schlitze vorgesehen werden. Was die Zahl und Grösse der Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 anbelangt, so richten sich diese nach dem maximal erforderlichen Durchsatz des jeweiligen Brenners. Das Lanzenrohr 2 trägt im Rohrinnern einen Stempel 10, der mittels Stegen 11 - wie sie üblicherweise zur Abstützung von Innen körpern bei durchströmten Querschnitten zum Einsatz gelangen - zentrisch zum Rohrinnern 6 des Drosselkörpers 5 gelagert ist. Eine ebenfalls dorthin plazierte Dichtung 12 sorgt dafür, dass die bei der jeweiligen axialen Position des Drosselkörpers 5 über dem Stempel 10 liegenden Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 gasdicht geschlossen sind. Die Gasdichtigkeit zwischen Drosselkörper 5 und Büchse 4 wird durch eine Dichtung 13 bewerkstelligt. Durch axiales Verschieben des Drosselkörpers 5 gegen den Stempel 10 kann der freie Querschnitt - d.h. die Anzahl der noch im Einsatz stehenden Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 - und damit die durchströmende Brennstoffmenge 7a verändert werden. Der freigegebene Strömungsquerschnitt hängt somit von der jeweiligen Eindringtiefe des Stempels 10 gegenüber dem Drosselkörper 5 ab. Wenn das Verhältnis des Brennstoffdruckes in der Zuleitung zum Druck am Düsenaustritt 3 einen kritischen Wert überschreitet, durchströmt der Brennstoff 7 die Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 im Drosselkörper 5 mit Schallgeschwindigkeit, so dass vom Düsenaustritt 3 stromauf laufende Druckstörungen den aus den Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 austretenden Brennstoffmenge 7a nicht mehr beeinflussen können. Konstruktiv ist es wichtig zu beachten, dass der Abstand zwischen Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 und Düsenaustritt 3 bzw. 15 wesentlich kürzer ist als die Wellenlänge typischer Eigenschwingungen des Brennkammersystems.
In Fig. 2 ist, ähnlich wie in Fig. 1, ebenfalls eine stark vereinfachte Darstellung einer Brennstofflanze 1 dargestellt. Diese Ausführung ist gegenüber Fig. 1 durch den Unterschied gekennzeichnet, dass die durchströmende Brennstoffmenge 7a aus der Brennstofflanze 1 nunmehr radial austritt. Das Lanzenrohr 2 ist gleichbleibend zylindrisch und düsenaustrittsseitig offen. Der Stempel 10 wird über die Stege 11 verlängert und trägt an dessen Ende einen Zentralkörper 14. Die Oeffnung zwischen Ende des Lanzenrohres 2 und innenseitiger Auslaufkurve des Zentralkörpers 14 bildet den radialen Düsenaustritt 15.
In Fig. 3 wird der Brennstoff 7 direkt durch die Brennstofflanze 1 zugeführt. Stromabwärts verläuft das Lanzenrohr 2 in eine bis zum zentralen Düsenaustritt 3 hin sich erstreckende Büchse 16 über. Der Drosselkörper 5 ist eine Spindel, die lediglich endseitig und nur auf einer bestimmten Länge rohrförmig ausgenommen ist. In dieser Partie sind auch die Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 angebracht. Der Innendurchmesser der Büchse 16 bildet zugleich die Oeffnung zum zentralen Düsenaustritt 3. Durch axiales Verschieben des Drosselkörpers 5 gegen die Büchse 16 kann der freie Querschnitt - d.h. die Anzahl der noch im Einsatz stehenden Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9 - und damit die durchströmende Brennstoffmenge 7a verändert werden. Der Brennstoff 7 umströmt im Bereich des Lanzenrohres 2 den Drosselkörper 5. Dort wo das Lanzenrohr 2 in die Büchse 16 übergeht, durchströmt der Brennstoff jene Brennstoffdurchtrittsöffnungen 9, die auf Grund der Brennstoffmengenregulierung noch im Einsatz stehen, d.h. von der Büchse 16 noch nicht umhüllt sind. Im Gegensatz zu Fig. 1 und 2 strömt hier der Brennstoff 7 von aussen ins Innere des Drosselkörpers 5, um von hier aus zum Düsenaustritt 3 zu gelangen.
Fig. 4 zeigt ein beidseitig offenes Lanzenrohr 2, das in der Mitte durch eine Verengung 17 geteilt ist. Die Verengung erfüllt die gleiche Funktion wie die Büchse 16, beschrieben unter Fig. 3. Der Zentralkörper 14 ermöglicht einen radialen Düsenaustritt 15.

Claims

1. Brenner mit einer Brennstifflanze für die Zufuhr eines gasförmigen Brennstoffes oder eines Brennstoff-Luftgemisches in die Brennkammer einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass di^q Brennstofflanze (1) einen inneren, gegenüber einem festen Körper (10, 16, 17) axial verstellbaren Drosselkörper (5) trägt, wobei dieser abströmungsseitig mit einer Anzahl zum Düsenaustritt (3, 15) gerichteten Brennstoffdurchtrittsöffnungen (9) versehen ist, und wobei die bei mehr als überkritischen Druckverhältnissen mit Schallgeschwindigkeit durch die Brennstoffdurchtrittsöffnungen (9) druchströmende Brennstoffmenge (7a) von der Eindringtiefe des Drosselkörpers (5) gegenüber dem festen Körper (10,16,17) im Bereich der Brennstoffdurchtrittsöffnungen (9) abhängig ist, deren Abstand zum Düsenaustritt (3, 15) wesentlich kleiner als die Wellenlänge typischer Eingeschwingungen des Brennkammersystems ist.

2. Brenner nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenaustritt (3) zentral angeordnet ist.

3. Brenner nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenaustritt (15) radial in den Brennraum mündet.