EP0638769B1 - Fuel injector for liquid and/or gaseous fuels and method for its operation - Google Patents
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- EP0638769B1 EP0638769B1 EP94110938A EP94110938A EP0638769B1 EP 0638769 B1 EP0638769 B1 EP 0638769B1 EP 94110938 A EP94110938 A EP 94110938A EP 94110938 A EP94110938 A EP 94110938A EP 0638769 B1 EP0638769 B1 EP 0638769B1
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- F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
- F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
- F23D11/101—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet
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- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
- F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
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- F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
- F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
Definitions
- the present invention relates to the field of Combustion technology. It concerns a fuel lance for liquid and / or gaseous fuels for use in a Combustion chamber, as used for example in gas turbines finds.
- a fuel lance of the type mentioned is known from GB-A-2021 254.
- the air jet surrounds the fuel jets. While the fuel is through If separate pipe systems are inserted into the lance from the outside, the air Removed combustion chamber. As a result, there is no possibility of the lance outside as well as to cool the internal fuel channels and those from the nozzles protect escaping fuel from early ignition.
- the task is for a fuel lance for liquid and / or gaseous Fuels for use in the combustion chamber of a premix burner characterizing features of claim 1 solved.
- the essence of the invention is that for cooling the lance and for distributing the fuel through the air duct air with a temperature up to several 100 ° C, but preferably less than 600 ° C, to the air / fuel nozzle led and there as a sheath flow surrounding the fuel flow in the Combustion chamber is blown. This also ensures safe cooling of the lance at higher temperatures of the combustion air flowing past the lance or combustion gases reached.
- a first preferred embodiment of the invention Fuel lance is characterized in that the least an air / fuel nozzle and the at least one gas nozzle circular and one behind the other common nozzle axis are arranged, and the diameter the gas nozzle is smaller than the diameter of the Air / fuel nozzle.
- the gas flow emerging from the gas nozzle will pass through the Air / fuel nozzle surrounded by a jacket-shaped air flow. This ensures on the one hand that for the gaseous fuel gives practically the same injection route as for the liquid fuel. On the other hand supports the air flow largely independent of the amount of gas the gas injection, so that even with small gas flows the aerodynamic conditions in the combustion chamber hardly change.
- a further preferred embodiment of the invention is thereby characterized that the gas pipe and the liquid fuel pipe in the flow direction before the at least one Air / fuel nozzle ends that the gas nozzle and liquid fuel nozzle arranged at the end of each tube and are oriented parallel to the lance axis, and that for each Air / fuel nozzle and the other nozzles a scoop-shaped Baffle is provided, which from the other Gas or liquid flows emerging through nozzles by approximately 90 ° deflects and introduces into the respective air / fuel nozzle.
- This will help distribute and mix the liquid fuel an air powered atomizer realized in Anglo-Saxon literature as a "prefilming atomizer" is known (see also A. H. Lefebvre, Airblast Atomization, Prog.Energy Combust. Sci., Vol. 6, pp. 233-261 (1980)).
- Fuel lance is the air duct around the downstream led around the end of the fuel lance, and in this end at least one, largely parallel to the lance axis oriented auxiliary nozzle provided through which air can flow out of the air duct into the combustion chamber.
- auxiliary nozzle will fuel-free air in the room behind the The tip of the lance was injected to the critical point Formation of fuel-containing after-runs and / or recirculation zones to prevent.
- Fig. 1 is a possible arrangement of a side view exemplary fuel lance according to the invention in one by a housing 3 limited combustion chamber 2 of a gas turbine or the like. (Only a partial section is shown the chamber).
- the fuel lance 1 is in this Example with their lance axis 5 in the central axis of the Combustion chamber 2 is arranged and (as by the three long Arrows is indicated in Fig. 1) of hot combustion air flows around.
- the fuel lance 1 is therefore the aerodynamic Conditions in the combustion chamber 2 adapted and streamlined designed. It is of an elongated lance coat 11 surrounded and on a laterally outgoing arm 4 on Housing 3 attached.
- the support arm 4 is also streamlined designed and can in the cross section shown Have wing-like support arm profile 14.
- the tubes include one in the axial direction internal liquid fuel pipe 7 and a the liquid fuel tube 7 concentrically in one Distance surrounding gas pipe 9.
- the gas pipe 9 is in turn surrounded at a distance by the lance jacket 11. Due to the concentric and spaced arrangement of pipes and jacket three channels are formed, the inner liquid fuel channel 6, the gas duct 8 and the air duct 10. Die Channels take over depending on the operating mode of the fuel lance 1 different functions, based on three preferred exemplary embodiments illustrated in FIGS. 2 to 4 are to be explained in more detail.
- Fig. 2 shows for the first embodiment in longitudinal section the lance tip used to explain various Operating cases along the lance axis 5 in two separate Halves has been divided.
- the top half refers with the drawn currents (marked by arrows) to the operating case with exclusively gaseous fuel, the lower half to the operating case with exclusively liquid fuel.
- a corresponding two-part Representation is the same for the other reasons Figures 3 and 4 have been chosen.
- the inner liquid fuel tube ends in the tip of the lance 7, the gas pipe 9 and the lance jacket 11.
- the gas pipe 9 ends up in a hemispherical pipe head 17 above, which closes the pipe.
- the Liquid fuel pipe 7 is blunt on the inner surface of the Pipe head 17 welded (or soldered) and in this way completed at the end.
- the lance jacket 11 encloses the pipe head 17 at a distance in the form of a hemispherical shell, so that the formed between lance jacket 11 and gas pipe 9 Air duct 10 extends into the immediate tip of the lance and encloses the pipe head 17 on the outside.
- Each nozzle set includes one in Liquid fuel pipe 7 embedded liquid fuel nozzle 18, a gas nozzle 15 embedded in the gas pipe and one in the lance jacket 11 recessed air / fuel nozzle 12.
- Each of the Nozzles 12, 15 and 18 are preferably circular. Your diameter are graduated with the inner liquid fuel nozzle 18 the smallest and the outer air / fuel nozzle largest diameter.
- Number and diameter of the Liquid fuel nozzles 18 are based on that in the normal case flow rate of the liquid fuel occurring. It is make sure that the nozzle diameter is not too large the nozzles become small when solid deposits are formed do not clog. Otherwise, the number of jets of fuel injected into the combustion chamber through the nozzles not be too big, so that the aerodynamics are not around the fuel lance 1 is disturbed so far that increasingly form fuel-containing wakes behind the lance.
- the inner liquid fuel channel 6 not used at all.
- the flammable Gas flows through the gas channel 8 and the gas nozzle 15 and forms there a radially outward gas jet, the enters the combustion chamber 2 through the air / fuel nozzle 12.
- cooling air with a Temperature up to several 100 ° C, but preferably less than 600 ° C, which is also sent out of the air / fuel nozzle radially emerges into the combustion chamber and the gas jet initially surrounds it as a jacket-shaped stream.
- the cooling air has several functions: First, it cools the lance jacket 11 and forms a thermal protective jacket for the fuel channels further inside.
- a liquid fuel usually an oil-water emulsion
- the liquid fuel nozzle 18 out and there radially as a liquid jet ejected outside.
- the gas channel 8 Introduced air that exits through the gas nozzle 15 and in Interaction with that also through the gas nozzle 15 penetrating liquid jet a fine atomization of the Liquid fuel in small droplets ("plain-jet airblast atomization").
- the atomizing jet is then at the air / fuel nozzle 12 in the same way as described above, surrounded by a cooling air jacket (the also contributes to atomization) and finally into the combustion chamber 2 injected.
- the auxiliary air in the gas duct 8 provided a further thermal shielding stage. This allows the liquid fuel in the liquid fuel channel 6 be kept at temperatures at which solid deposits be safely avoided.
- the cooling or Auxiliary air in the lance functions: (i) It cools the lance and protects the inside Fuel channels from too high temperatures. (ii) It cools the fuel jets during injection and delays them thus heating them up, so that before self-ignition a there is sufficient mixing with the combustion air can. (iii) As auxiliary air, it drives the necessary Atomization of a liquid fuel. (iv) supports you when exiting through the air / fuel nozzles 12 as a jacket stream the mixing of the fuel jet in the combustion chamber. (v) It gets that even with low fuel flows jet system emerging from the nozzle sets upright.
- the special arrangement of the nozzles 12, 15 and 18 achieves that, regardless of whether gaseous or liquid fuel is used, always gives the same aerodynamic configuration, i.e. that Fuel jets are injected into the combustion chamber 2 in the same way become. Because of the stable connection of the pipes 7, 9 with each other and with the lance jacket 11, the uniaxial remains Arrangement of the nozzle sets and thus the aerodynamic Receive configuration even if by different Temperature distributions thermal tensions in the lance available.
- the air from the air duct 10 can advantageously still perform another function: in the flow direction behind
- the tip of the lance can change for fluidic reasons basically form fuel-containing wakes that too Flashbacks or thermoacoustic vibrations (Pulsations). Such phenomena are intolerable, because they put a strain on the combustion chamber and, above all, too lead to increased pollutant emissions.
- For their prevention is preferably a centrally in the Lance axis 5 arranged auxiliary nozzle 13 through which a fuel-free air flow from the air duct 10 in the part of the combustion chamber located behind the tip becomes. At the same time, this measure also ensures that the fuel lance 1 cooled to the foremost tip becomes.
- FIG. 3 is another preferred embodiment reproduced for a fuel lance according to the invention.
- 3A corresponds in its form of representation to FIG. 2;
- Figure 3B is a partial cross section through the lance along line A-A of Fig. 3A, the area with the Liquid fuel nozzles 18 in FIG. 3A about the lance axis 5 is shown rotated.
- the embodiment shown gives way of the Fig. 2 especially with regard to the arrangement of the Liquid fuel nozzles 18 from:
- the nozzles 18 are not here longer with the other nozzles 12 and 15 together on a common one Nozzle axis 24 arranged, but from the lance tip moved backwards and at the same time around the Lance axis 5 rotated (Fig.
- FIG. 3A In the upper part of FIG. 3A, as in FIG. 2, is the operating case represented with gaseous fuel in which the Liquid fuel pipe 7 is empty and is not used.
- the injection jet is formed here completely analogously to Fig. 2.
- the liquid fuel occurs as Jet from the liquid fuel nozzle 18 is by in Gas channel 8 led auxiliary air on the inner wall of the gas pipe 9 entrained along to the gas nozzle 15 and together there blown off with the auxiliary air through the guide tube 19, wherein atomization takes place simultaneously ("air assist atomizer").
- Additional ring plates 20 on both sides of the liquid fuel nozzles 18 improve the flow conditions.
- FIG. 4A again corresponds to FIG. 2 or FIG. 3A, while in FIG. 4B the special shape of the used baffles and their interaction with the nozzles will be shown.
- 4 are the Air / fuel nozzles 12 arranged in the same place as in the exemplary embodiments from FIGS. 2 and 3.
- the Gas pipe 9 and the liquid fuel pipe 7 end in the direction of flow even before the air / fuel nozzles 12.
- everyone Air / fuel nozzle 12 associated gas nozzle 15 and liquid fuel nozzle 18 are at the end of each tube (9 and 7) and are oriented parallel to the lance axis 5.
- a blade-shaped guide plate 22 is provided, which the gas exiting from the associated nozzles 15, 18 or liquid flows deflected by about 90 ° and into the respective Air / fuel nozzle 12 initiates.
- the baffles 22 are cloverleaf around the lance axis 5 arranged around.
- Each baffle 22 preferably runs in the area of Air / fuel nozzle 12 in a closed sheet metal ring 23 whose diameter is smaller than the diameter of the Air / fuel nozzle 12.
- the redirected streams from the assigned Nozzles 15, 18 are so when leaving the Air / fuel nozzle 12, in turn, in the form of a jacket from an air stream surround.
- an additional Guide tube 19 can be fitted to a safe deflection of the To ensure gas flows through the baffles 22.
- the Baffles 22 are in the area of the nozzles (12, 15, 18) with the Lance jacket 11 firmly connected so that they are relative to Air / fuel nozzle 12 can not move.
- the connection takes place via a tubular head 21 in the form of a hemispherical shell, the position of the pipe head 17 from FIG. 2 or FIG. 3 occupies and by means of the connecting webs already mentioned 16 is anchored to the lance jacket 11.
- FIG. 5 Another preferred embodiment of a fuel lance according to the invention is shown in FIG. 5.
- the gas nozzles 15 are independently in Flow direction placed in front of the other nozzles 12, 18.
- in the Case of gas operation mixes the gas in front of the air / fuel nozzle 12 in the air duct 10 intensive with the cooling air.
- the gas-air mixture occurs then through the air / fuel nozzle 12 into the combustion chamber out.
- the liquid fuel flows from the liquid fuel nozzle accommodated in the tube head 17 18 past the air tube 20 directly into the air / fuel nozzle 12, where it is in the manner already described with the cooling air cooperates from the air duct 10.
- the invention results in a fuel lance, which in the same aerodynamic configuration are gaseous and can inject liquid fuels, even at high combustion gas temperatures works safely, optimal atomization of liquid fuels allowed and by an extended Mixing process enables very low pollutant emissions.
Description
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 Verwendung findet.The present invention relates to the field of Combustion technology. It concerns a fuel lance for liquid and / or gaseous fuels for use in a Combustion chamber, as used for example in gas turbines finds.
Für die Injektion von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen in die Brennkammer eines Vormischbrenners werden Brennstofflanzen verwendet, die in die Brennkammer hineinragen und den oder die Brennstoffe in die vorbeiströmende Verbrennungsluft in geeigneter Verteilung einbringen.For the injection of liquid and / or gaseous fuels into the combustion chamber of a premix burner Fuel lances used that protrude into the combustion chamber and the fuel or fuels in the combustion air flowing past bring in a suitable distribution.
Bei der Auslegung derartiger Brennstofflanzen sind verschiedene Forderungen zu erfüllen, die sich teilweise aus den Umgebungsbedingungen und teilweise aus den gestellten Anforderungen 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 Brennstoffe vor einer zu hohen Temperatur der Verbrennungsluft zu schützen.
- Wenn die Brennkammer mit einem hohen Verhältnis der Brennstoffmengen zwischen Vollast und Teillast betrieben werden soll, muss dafür Sorge getragen werden, dass in jedem Betriebszustand der Brennstoff in geeigneter Verteilung vorliegt und auf dieselbe Weise in den Strom der Verbrennungsluft eingebracht und gemischt werden kann. Da die Aerodynamik 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 möglicht 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 brennstoffhaltigen Gas gefüllt sind und zu Flammenrückschlägen oder thermoakustischen Schwingungen führen können.
- Bei der Injektion von Flüssigbrennstoff, d.h. insbesondere Oel, muss vermieden werden, das die fein verteilte Oel-Luft-Mischung frühzeitig zündet.
- Für die flüssigen Brennstoffe muss auch vermieden werden, dass sich im Inneren der Lanze aufgrund erhöhter Temperaturen und Verdampfen des Brennstoffes störende Ablagerungen bilden, da dies den Betrieb der Lanze auf lange Sicht beeinträchtigen oder ganz unmöglich machen könnte.
- The combustion air flowing past the fuel lance has a temperature that is largely independent of the flow of fuel in the lance. It may be necessary to protect the lance itself and the fuels it contains from excessive combustion air temperature.
- If the combustion chamber is to be operated with a high ratio of the fuel quantities between full load and partial load, care must be taken to ensure that the fuel is available in a suitable distribution in every operating state and can be introduced and mixed in the same way into the combustion air stream. Since the aerodynamics of the burner are practically independent of the fuel, it must be possible to inject both the gaseous and the liquid fuel into the stream of combustion air in the same way in order to achieve optimal combustion.
- So that the efficiency of the burner is as high as possible, as little carrier or auxiliary air as possible should be used in the lance.
- It is also important to ensure that, as far as possible, no recirculation zones or wake-ups form in the area of the fuel lance that are filled with fuel-containing gas and can lead to flashbacks or thermoacoustic vibrations.
- When injecting liquid fuel, in particular oil, it must be avoided that the finely divided oil-air mixture ignites early.
- For the liquid fuels, it must also be avoided that interfering deposits form inside the lance due to increased temperatures and evaporation of the fuel, since this could impair the operation of the lance in the long term or make it completely impossible.
Eine Brennstofflanze der eingangs genannten Art ist bekannt aus der GB-A-2021 254. Dort wird flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff sowie Luft durch einen Satz konzentrisch angeordneter Düsen mit nach aussen wachsendem Durchmesser unter einem Winkel von 45° zur Lanzenachse in die Brennkammer eingedüst. Dabei umgibt der Luftstrahl die Brennstoffstrahlen. Während der Brennstoff durch separate Rohrsysteme von aussen in die Lanze eingeführt wird, wird die Luft dem Brennraum entnommen. Dadurch besteht keine Möglichkeit, die Lanze aussen sowie die innenliegenden Brennstoffkanäle zu kühlen sowie den aus den Düsen austretenden Brennstoff vor Frühzündung zu schützen.A fuel lance of the type mentioned is known from GB-A-2021 254. There is liquid and / or gaseous fuel and air by one Set of concentrically arranged nozzles with an increasing diameter injected into the combustion chamber at an angle of 45 ° to the lance axis. The air jet surrounds the fuel jets. While the fuel is through If separate pipe systems are inserted into the lance from the outside, the air Removed combustion chamber. As a result, there is no possibility of the lance outside as well as to cool the internal fuel channels and those from the nozzles protect escaping fuel from early ignition.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Brennstofflanze sowie ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben, welche die og. Anforderungen erfüllen und eine sichere Injektion von gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad und geringen Schadstoffemissionen gewährleisten.It is an object of the invention to provide a fuel lance and a method to indicate their operation, which the above. Meet requirements and be safe Injection of gaseous and / or liquid fuel at the same time high Ensure efficiency and low pollutant emissions.
Die Aufgabe wird bei einer Brennstofflanze für flüssige und/oder gasförmige
Brennstoffe zum Einsatz in der Brennkammer eines Vormischbrenners durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.The task is for a fuel lance for liquid and / or gaseous
Fuels for use in the combustion chamber of a premix burner
characterizing features of
Der Kern der Erfindung besteht darin, 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 Brennstoffstrom 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. The essence of the invention is that for cooling the lance and for distributing the fuel through the air duct air with a temperature up to several 100 ° C, but preferably less than 600 ° C, to the air / fuel nozzle led and there as a sheath flow surrounding the fuel flow in the Combustion chamber is blown. This also ensures safe cooling of the lance at higher temperatures of the combustion air flowing past the lance or combustion gases reached.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Brennstofflanze zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens eine Luft/Brennstoff-Düse und die wenigstens eine Gasdüse 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 Gasstrom wird auf diese Weise beim Durchtritt durch die Luft/Brennstoff-Düse von einem mantelförmigen Luftstrom umgeben. Hierdurch wird einerseits erreicht, dass sich für den gasförmigen Brennstoff praktisch derselbe Injektionsweg ergibt wie für den flüssigen Brennstoff. Andererseits unterstützt der Luftstrom weitgehend unabhängig von der Gasmenge die Gasinjektion, so dass sich auch bei kleinen Gasströmen die aerodynamischen Verhältnisse in der Brennkammer kaum ändern.A first preferred embodiment of the invention Fuel lance is characterized in that the least an air / fuel nozzle and the at least one gas nozzle circular and one behind the other common nozzle axis are arranged, and the diameter the gas nozzle is smaller than the diameter of the Air / fuel nozzle. The gas flow emerging from the gas nozzle will pass through the Air / fuel nozzle surrounded by a jacket-shaped air flow. This ensures on the one hand that for the gaseous fuel gives practically the same injection route as for the liquid fuel. On the other hand supports the air flow largely independent of the amount of gas the gas injection, so that even with small gas flows the aerodynamic conditions in the combustion chamber hardly change.
Besonders einfache und gleichförmige Strömungsverhältnisse innerhalb der Lanze und an den Düsen ergeben sich für die verschiedenen Brennstoffe, wenn gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch die Flüssigbrennstoffdüse zusammen mit den beiden anderen Düsen auf der gemeinsamen 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 praktisch nicht verschieben können.Particularly simple and uniform flow conditions within the lance and at the nozzles result for the different fuels if preferred according to a second Embodiment of the invention also the liquid fuel nozzle along with the other two nozzles on the common Nozzle axis is arranged, and the diameter of the Liquid fuel nozzle is smaller than the diameter of the Gas nozzle, and if the liquid fuel pipe and the gas pipe firmly connected to the lance jacket in the area of the nozzles are. The fixed connection between the inner tubes and the lance jacket ensures that the nozzles are in their position to each other practical even with thermal expansions cannot move.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gasrohr und das Flüssigbrennstoffrohr in Strömungsrichtung vor der wenigstens einen Luft/Brennstoff-Düse enden, dass die Gasdüse und Flüssigbrennstoffdüse 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 Flüssigbrennstoffs ein luftbetriebener Zerstäuber realisiert, der in der angelsächsischen Literatur als "prefilming atomizer" bekannt ist (siehe dazu auch A. H. Lefebvre, Airblast Atomization, Prog.Energy Combust.Sci., Vol.6, S.233-261 (1980)).A further preferred embodiment of the invention is thereby characterized that the gas pipe and the liquid fuel pipe in the flow direction before the at least one Air / fuel nozzle ends that the gas nozzle and liquid fuel nozzle arranged at the end of each tube and are oriented parallel to the lance axis, and that for each Air / fuel nozzle and the other nozzles a scoop-shaped Baffle is provided, which from the other Gas or liquid flows emerging through nozzles by approximately 90 ° deflects and introduces into the respective air / fuel nozzle. This will help distribute and mix the liquid fuel an air powered atomizer realized in Anglo-Saxon literature as a "prefilming atomizer" is known (see also A. H. Lefebvre, Airblast Atomization, Prog.Energy Combust. Sci., Vol. 6, pp. 233-261 (1980)).
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Brennstofflanze ist der Luftkanal um das stromabwärts gelegene Ende der Brennstofflanze herumgeführt, und in diesem Ende wenigstens eine, weitgehend parallel zur Lanzenachse orientierte Hilfsdüse vorgesehen, durch welche Luft aus dem Luftkanal in die Brennkammer ausströmen kann. Durch die Hilfsdüse wird brennstoffreie Luft in den Raum hinter der Lanzenspitze injiziert, um an dieser kritischen Stelle die Bildung von brennstoffhaltigen Nachlaufen und/oder Rezirkulationszonen zu verhindern. In a further preferred embodiment of the inventive Fuel lance is the air duct around the downstream led around the end of the fuel lance, and in this end at least one, largely parallel to the lance axis oriented auxiliary nozzle provided through which air can flow out of the air duct into the combustion chamber. By the auxiliary nozzle will fuel-free air in the room behind the The tip of the lance was injected to the critical point Formation of fuel-containing after-runs and / or recirculation zones to prevent.
Weitere Ausführungsformen der erfindungsgemässen Brennstofflanze sowie Ausführungsformen des erfindungsgemässen Betriebsverfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further embodiments of the fuel lance according to the invention as well as embodiments of the operating method according to the invention result from the dependent claims.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen
- Fig. 1
- in der Seitenansicht eine in einer Brennkammer angeordnete Brennstofflanze nach der Erfindung;
- Fig. 2
- im Längsschnitt die Spitze eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Brennstofflanze mit den durch Pfeilen angedeuteten Gas- und Flüssigkeitsströmungen, wobei in der oberen Hälfte 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 Darstellung 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.
- Fig. 1
- in the side view a fuel lance according to the invention arranged in a combustion chamber;
- Fig. 2
- in longitudinal section the tip of a first preferred embodiment of a fuel lance according to the invention with the gas and liquid flows indicated by arrows, the operation with gaseous fuel being shown in the upper half and the operation with liquid fuel being shown in the lower half;
- Fig. 3
- in longitudinal section (FIG. 3A) and partial cross section (FIG. 3B) a second preferred exemplary embodiment analogous to FIG. 2 in the two operating modes;
- Fig. 4
- in longitudinal section (FIG. 4A) and with a separate illustration of the guide plates (FIG. 4B), a third preferred exemplary embodiment analogous to FIG. 2 in the two operating modes; and
- Fig. 5
- an embodiment comparable to FIG. 2, in which the gas nozzles are arranged in the flow direction in front of the other nozzles.
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 Teilausschnitt
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 strömungsgünstig
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 strömungsgünstig
gestaltet und kann im eingezeichneten Querschnitt ein
flügelähnliches Tragarmprofil 14 aufweisen.In Fig. 1 is a possible arrangement of a side view
exemplary fuel lance according to the invention in one
by a
Durch den Tragarm 4 und die Brennstofflanze 1 selbst verlaufen
- 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 Brennkammer
2 injiziert wird. Die Rohre umfassen ein in Achsenrichtung
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 Flüssigbrennstoffkanal
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 Figuren 2 bis 4 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden sollen.Run through the
Fig. 2 zeigt für das erste Ausführungsbeispiel im Längsschnitt
die Lanzenspitze, die zur Erläuterung verschiedener
Betriebs fälle 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 Brennstoff,
die untere Hälfte auf den Betriebsfall mit ausschliesslich
flüssigem Brennstoff. Eine entsprechende zweigeteilte
Darstellung ist aus denselben Gründen auch bei den anderen
Figuren 3 und 4 gewählt worden.Fig. 2 shows for the first embodiment in longitudinal section
the lance tip used to explain various
Operating cases along the
Von links kommend enden in der Lanzenspitze das innere Flüssigbrennstoffrohr
7, das Gasrohr 9 und der Lanzenmantel 11.
Das Gasrohr 9 geht am Ende in einen halbkugelförmigen Rohrkopf
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 Halbkugelschale,
so dass der zwischen Lanzenmantel 11 und Gasrohr 9 gebildete
Luftkanal 10 bis in die unmittelbare Lanzenspitze reicht
und den Rohrkopf 17 aussen umschliesst. Zwischen dem Rohrkopf
17 und der vorderen Halbkugel schale 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.Coming from the left, the inner liquid fuel tube ends in the tip of the
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 angeordnet
sind. Die Düsensätze sind entlang dem Umfang der
Brennstofflanze 1 nach Anzahl und Winkelabstand so verteilt,
dass sie bei einem vorgegebenen Sekundärmuster der Brennkammerströmung
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 Lanzenmantel
11 eingelassene Luft/Brennstoff-Düse 12. Jede der
Düsen 12, 15 und 18 ist vorzugsweise kreisrund. Ihre Durchmesser
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 Ablagerungen
nicht verstopfen. Im übrigen darf die Anzahl der
durch die Düsen in die Brennkammer injizierten Brennstoffstrahlen
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.There are several (preferably 4) sets in the area of the pipe ends
provided by nozzles, each along a perpendicular
(or at an angle) to the
Bei dem in der oberen Hälfte von Fig. 2 dargestellten Betriebsfall
mit reiner Gasinjektion wird der innere Flüssigbrennstoffkanal
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 Lanzenmantel
11 und bildet einen thermischen Schutzmantel für die
weiter innenliegenden Brennstoffkanäle. Zum anderen erzeugt
sie an der Luft/Brennstoff-Düse 12 einen stabilen, gleichbleibenden
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 Brennkanmer 2, weil eine
frühzeitige Selbstzündung des Gemisches sicher vermieden
wird.In the operating case shown in the upper half of FIG. 2
with pure gas injection, the inner
Bei dem in Fig. 2 in der unteren Hälfte dargestellten Betriebsfall
mit reiner Flüssigbrennstoffinjektion wird durch
den inneren Flüssigbrennstoffkanal 6 ein flüssiger Brennstoff,
meist eine Oel-Wasser-Emulsion, zur Flüssigbrennstoffdüse
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
("plain-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 Brennkammer
2 injiziert. Zusätzlich zu der Kühlung durch die im Luftkanal
10 strömende Luft wird durch die Hilfsluft im Gaskanal
8 eine weitere thermische Abschirmstufe zur Verfügung gestellt.
Hierdurch kann der Flüssigbrennstoff im Flüssigbrennstoffkanal
6 auf Temperaturen gehalten werden, bei denen feste Ablagerungen
sicher vermieden werden.In the operating case shown in Fig. 2 in the lower half
with pure liquid fuel injection is through
the inner
Wie aus den obigen Darlegungen hervorgeht, hat die Kühl- bzw.
Hilfsluft in der erfindungsgemässen Lanze gleichzeitig mehrere
Funktionen: (i) Sie kühlt die Lanze und schützt die innenliegenden
Brennstoffkanäle vor zu hohen Temperaturen. (ii)
Sie kühlt bei der Injektion die Brennstoffstrahlen und verzögert
damit deren Erhitzung, so dass vor der Selbstzündung eine
ausreichende Durchmischung mit der Verbrennungsluft stattfinden
kann. (iii) Sie treibt als Hilfsluft die notwendige
Zerstäubung eines Flüssigbrennstoffes. (iv) Sie unterstützt
beim Austritt durch die Luft/Brennstoff-Düsen 12 als Mantelstrom
die Vermischung des Brennstoffstrahles in der Brennkammer.
(v) Sie erhält auch bei geringen Brennstoffströmen das
aus den Düsensätzen austretende Strahlsystem aufrecht.As can be seen from the above explanations, the cooling or
Auxiliary air in the lance according to the invention several at the same time
Functions: (i) It cools the lance and protects the inside
Fuel channels from too high temperatures. (ii)
It cools the fuel jets during injection and delays them
thus heating them up, so that before self-ignition a
there is sufficient mixing with the combustion air
can. (iii) As auxiliary air, it drives the necessary
Atomization of a liquid fuel. (iv) supports you
when exiting through the air /
Beim all diesen Vorgängen wird durch die spezielle Anordnung
der Düsen 12, 15 und 18 erreicht, dass sich, unabhängig davon,
ob gasförmiger oder flüssiger Brennstoff verwendet wird,
stets dieselbe aerodynamische Konfiguration ergibt, d.h., die
Brennstoffstrahlen in gleicher Weise in die Brennkammer 2 injiziert
werden. Wegen der stabilen Verbindung der Rohre 7, 9
untereinander und mit dem Lanzenmantel 11 bleibt die einachsige
Anordnung der Düsensätze und damit die aerodynamische
Konfiguration auch dann erhalten, wenn durch unterschiedliche
Temperaturverteilungen thermische Spannungen in der Lanze
vorhanden sind.In all of these processes, the special arrangement
of the
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 tolerierbar,
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 brennstoffreier 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. The air from the
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 gemeinsamen
Düsenachse 24 angeordnet, sondern von der Lanzenspitze
weg nach hinten verschoben und gleichzeitig um die
Lanzenachse 5 gedreht (Fig. 3B), so dass ein aus Ihnen heraustretender
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.3 is another preferred embodiment
reproduced for a fuel lance according to the invention.
3A corresponds in its form of representation to FIG.
2; Figure 3B is a partial cross section through the lance
along line A-A of Fig. 3A, the area with the
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 bereits
oben beschriebene Mantelstrombildung begünstigt, so
dass ein durch das Leitrohr 19 strömender Gasstrom beim Austritt
aus der Luft/Brennstoff-Düse 12 relativ geschützt in
die Brennkammer 2 gelangt.Another deviation in relation to the example from FIG. 2
results from the fact that in each of the
Im oberen Teilbild der Fig. 3A ist - wie in Fig. 2 - der Betriebsfall
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 Flüssigbrennstoff
wiedergegeben: der Flüssigbrennstoff tritt als
Strahl aus der Flüssigbrennstoffdüse 18 aus, wird durch im
Gaskanal 8 herangeführte Hilfsluft an der Innenwand des Gasrohres
9 entlang zur Gasdüse 15 mitgerissen und dort zusammen
mit der Hilfsluft durch das Leitrohr 19 abgeblasen, wobei
gleichzeitig eine Zerstäubung stattfindet ("air assist atomizer").
Zusätzliche Ringbleche 20 auf beiden Seiten der Flüssigbrennstoffdüsen
18 verbessern dabei die Strömungsverhältnisse.In the upper part of FIG. 3A, as in FIG. 2, is the operating case
represented with gaseous fuel in which the
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Brennstofflanze
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 Figuren 2 und 3. Deutlich
anders dagegen ist die Anordnung der anderen Düsen: Das
Gasrohr 9 und das Flüssigbrennstoffrohr 7 enden in Strömungsrichtung
bereits vor den Luft/Brennstoff-Düsen 12. Die jeder
Luft/Brennstoff-Düse 12 zugeordnete Gasdüse 15 und Flüssigbrennstoffdüse
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, welches
die aus den zugeordneten Düsen 15, 18 austretenden Gas-
bzw. Flüssigkeitsströme um etwa 90° umlenkt und in die jeweilige
Luft/Brennstoff-Düse 12 einleitet. Wie man aus Fig. 4B
erkennt, sind die Leitbleche 22 kleeblattartig um die Lanzenachse
5 herum angeordnet.Another preferred embodiment of a fuel lance
according to the invention is shown in Fig. 4. Fig.
4A again corresponds to FIG. 2 or FIG. 3A, while in FIG. 4B
the special shape of the
used baffles and their interaction with the nozzles
will be shown. 4 are the
Air /
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 zugeordneten
Düsen 15, 18 sind so beim Austreten aus der
Luft/Brennstoff-Düse 12 wiederum mantelförmig von einem Luftstrom
umgeben. In die Gasdüsen 15 kann jeweils zusätzlich ein
Leitrohr 19 eingepasst sein, um eine sichere Umlenkung der
Gasströme durch die Leitbleche 22 zu gewährleisten. 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 Verbindung
erfolgt über einen Rohrkopf 21 in Form einer Halbkugelschale,
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.Each
Im oberen Teilbild der Fig. 4 ist wiederum der reine Gasbetrieb
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 umgelenkt,
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 benutzt:
Der aus der Flüssigbrennstoffdüse 18 austretende
Strahl wird ohne Hilfsluft als Flüssigkeitsfilm an der Innenwand
des Leitbleches 22 zur Luft/Brennstoff-Düse 12 geleitet
und dort durch Abriss feinster Tröpfchen an der Aussenkante
des Blechrings zerstäubt ("prefilmer atomizer").In the upper part of FIG. 4 is again pure gas operation
shown, in which the
Ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Brennstofflanze
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 Düsenachse
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 brennstoffreie
Kühlluft in den Kopfbereich der Lanze, wo sie zur Verhinderung
von Nachlaufen 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.Another preferred embodiment of a fuel lance
according to the invention is shown in FIG. 5.
In this example, only the
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine Brennstofflanze, die in derselben aerodynamischen Konfiguration gasförmige und flüssige Brennstoffe injizieren kann, auch bei hohen Brenngastemperaturen sicher arbeitet, eine optimale Zerstäubung von Flüssigbrennstoffen erlaubt und durch einen verlängerten Mischvorgang sehr niedrige Schadstoffemissionen ermöglicht.Overall, the invention results in a fuel lance, which in the same aerodynamic configuration are gaseous and can inject liquid fuels, even at high combustion gas temperatures works safely, optimal atomization of liquid fuels allowed and by an extended Mixing process enables very low pollutant emissions.
- 11
- BrennstofflanzeFuel lance
- 22nd
- BrennkammerCombustion chamber
- 33rd
- Gehäusecasing
- 44th
- TragarmBeam
- 55
- LanzenachseLance axis
- 66
- FlüssigbrennstoffkanalLiquid fuel channel
- 77
- FlüssigbrennstoffrohrLiquid fuel pipe
- 88th
- GaskanalGas channel
- 99
- GasrohrGas pipe
- 1010th
- LuftkanalAir duct
- 1111
- LanzenmantelLance coat
- 1212th
- Luft/Brennstoff-DüseAir / fuel nozzle
- 1313
- HilfsdüseAuxiliary nozzle
- 1414
- TragarmprofilSupport arm profile
- 1515
- GasdüseGas nozzle
- 1616
- VerbindungsstegConnecting bridge
- 17,2117.21
- RohrkopfPipe head
- 1818th
- Flüssigbrennstoffdüse Liquid fuel nozzle
- 1919th
- LeitrohrGuide tube
- 2020th
- LuftrohrAir tube
- 2222
- LeitblechBaffle
- 2323
- BlechringSheet metal ring
- 2424th
- DüsenachseNozzle axis
Claims (17)
- Fuel lance for liquid and/or gaseous fuels for use in a combustion chamber (2), which fuel lance comprises(a) a liquid fuel pipe (7) extending along a lance center line (5) and surrounding a liquid fuel passage (6) for carrying a liquid fuel;(b) a gas pipe (9) surrounding the liquid fuel pipe (7) and forming a gas passage between itself and the liquid fuel pipe (7) for carrying a gaseous fuel;(c) a lance outer shell (11) surrounding the gas pipe (9) and forming an air passage (10) between itself and the gas pipe (9) for carrying cooling air and atomizer air;(d) at least one air/fuel nozzle (12) which is provided in the side of the lance outer shell (11) at the downstream end of the fuel lance (1) and through which air can flow out of the air passage (10) into the combustion chamber (2) surrounding the fuel lance (1); whereby(e) arranged in the gas pipe (9), there is at least one gas nozzle (15) through which gas can flow out of the gas passage (8) through the air passage (10) and, with the air, through the at least one air/fuel nozzle (12) into the combustion chamber (2); and whereby(f) arranged in the liquid fuel pipe (7), there is at least one liquid fuel nozzle (18) through which liquid fuel can flow out of the liquid fuel passage (6) through the air passage (10) and, with the air, through the at least one air/fuel nozzle (12) into the combustion chamber (2).(g) air with a temperature of up to several hundred degrees centigrade, but preferably less than 600°C, is carried through the air passage (10) to the air/fuel nozzle (12) in order to cool the lance and distribute the fuel and is there blown into the combustion chamber (2) as a flow jacketing the fuel flow.
- Fuel lance according to Claim 1, characterized in that the at least one air/fuel nozzle (12) and the at least one gas nozzle (15) are of circular configuration and are arranged one behind the other on a common nozzle center line (24), and the diameter of the gas nozzle (15) is smaller than the diameter of the air/fuel nozzle (12).
- Fuel lance according to Claim 2, characterized in that, fitted into the gas nozzle (15), there is a guide pipe (19) which extends from the gas nozzle (15) through the air passage (10) into the air/fuel nozzle (12) in such a way that a flow of gas through the guide pipe (19) is jacketed by an airflow on emergence from the air/fuel nozzle (12).
- Fuel lance according to either of Claims 2 and 3, characterized in that the liquid fuel nozzle (18), together with the two other nozzles (12, 15), is also arranged on the common nozzle center line (24), and the diameter of the liquid fuel nozzle (18) is smaller than the diameter of the gas nozzle (15).
- Fuel lance according to Claim 4, characterized in that the liquid fuel pipe (7) and the gas pipe (9) are firmly connected to the lance outer shell (11) in the region of the nozzles (12,15,18).
- Fuel lance according to either of Claims 2 and 3, characterized in that the liquid fuel nozzle (18) is displaced to the side relative to the gas nozzle (15) out of the nozzle center line (24), and the gas pipe (9) is firmly connected to the lance outer shell (11) in the region of the nozzles (12,15,18).
- Fuel lance according to either of Claims 5 and 6, characterized in that, at the downstream end of the fuel lance (1), the gas pipe (9) merges into a rounded, closed pipe end (17) which is surrounded by the air passage (10) and the lance outer shell (11) and is fastened on the lance outer shell (11) by means of a plurality of connecting webs (16) which cross the air passage (10).
- Fuel lance according to Claim 1, characterized in that the gas pipe (9) and the liquid fuel pipe (7) end, in the flow direction, before the at least one air/fuel nozzle (12), in that the gas nozzle (15) and the liquid fuel nozzle (18) are arranged at the end of the respective pipe (9 or 7) and are directed parallel to the lance center line (5) and in that a vane-shaped guide plate (22) is provided for each air/fuel nozzle (12) and the further nozzles (15,18), which guide plate deflects the gas and liquid flows emerging from the further nozzles (15,18) by approximately 90° and guides them into the respective air/fuel nozzle (12).
- Fuel lance according to Claim 8, characterized in that, in the region of the air/fuel nozzle (12), the guide plate ends in a closed sheet-metal ring (23) whose diameter is smaller than the diameter of the air/fuel nozzle (12) in such a way that the deflected flows from the further nozzles (15,18) are jacketed by an airflow on emergence from the air/fuel nozzle (12).
- Fuel lance according to either of Claims 8 and 9, characterized in that a guide pipe (19) is additionally fitted into the gas nozzle (15) and in that the guide plate (22) is firmly connected to the lance outer shell (11) in the region of the nozzles (12,15,18).
- Fuel lance according to one of Claims 1 to 10, characterized in that a plurality of nozzles, preferably four, as determined by the flow surrounding the fuel lance (1), is distributed over the periphery of the fuel lance (1).
- Fuel lance according to one of Claims 1 to 11, characterized in that the air passage (10) is led around the downstream end of the fuel lance (1), and at least one auxiliary nozzle (13) directed substantially parallel to the lance center line (5) is provided in this end, and air can flow out of the air passage (10) through this auxiliary nozzle (13) into the combustion chamber (2).
- Fuel lance according to one of Claims 1 to 12, characterized in that the fuel lance (1) is fastened on a casing (3) surrounding the combustion chamber (2) by means of a side support arm (4) with a streamlined support arm profile (14) and in that the pipes (7,9) are led out of the combustion chamber (2) within the support arm (4).
- Fuel lance according to Claim 1, characterized in that, in the flow direction, the at least one gas nozzle (15) is arranged before the other nozzles (12,18).
- Fuel lance according to Claim 14, characterized in that at least one auxiliary nozzle (13) which is directed substantially parallel to the lance center line (5) is provided at the downstream end of the fuel lance (1) and air can flow out of the air passage (10) through this auxiliary nozzle (13) into the combustion chamber (2) and in that air pipes (20) are provided by means of which fuel-free cooling air can be guided past the gas nozzle (15) to the auxiliary nozzle (13).
- Method of operating a fuel lance according to one of Claims 1 to 13, characterized in that the gas is carried through the gas passage (8) and the gas nozzle (15) to the air/fuel nozzle (12) and is there mixed with the airflow while the liquid fuel passage (6) remains unused.
- Method of operating a fuel lance according to Claim 1, characterized in that liquid fuel in the form of an emulsion is carried through the liquid fuel passage (6) and the liquid fuel nozzle (18) to the air/fuel nozzle (12) and is there mixed with the airflow and in that air is additionally carried through the gas passage (8) to the air/fuel nozzle (12) in order to provide better distribution and additional cooling of the liquid fuel.
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