EP0692675A2

EP0692675A2 - Method and device for operating a combined burner for liquid and gaseous fuels

Info

Publication number: EP0692675A2
Application number: EP95810432A
Authority: EP
Inventors: Franz Dr. Joos; Rino-Martin Marling; Peter Dr. Senior
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 1994-07-13
Filing date: 1995-06-27
Publication date: 1996-01-17
Also published as: DE4424599A1; CN1120145A; JPH0842824A; EP0692675A3; US5664943A

Abstract

The method involves ending partition wall (17) of the pilot gas duct (13) and the outer air duct (12) in the direction of flow in front of the atomising cross-section (15) of the air-blast nozzle (2). The pilot gas duct opens into the air inflow pipe (14) or into at least one of the air ducts (11,12). The pilot gas duct is connected to the outer air duct, and the opening (18) is positioned inside the air-blast nozzle. The partition wall contains several evenly distributed holes (26) opening at a tangent into the outer air duct, and pointing in the opposite direction in which the blown air (5) is flowing. <IMAGE>

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines kombinierten Brenners für flüssige und gasförmige Brennstoffe zwecks Heissgaserzeugung.The invention relates to a method and a device for operating a combined burner for liquid and gaseous fuels for the purpose of hot gas generation.

Stand der TechnikState of the art

Zur Erzielung möglichst niedriger NOx-Emissionen werden Brenner nahe ihrer mageren Löschgrenze betrieben. Dadurch entsteht der Nachteil, dass der Regelbereich der Brenner stark eingeschränkt wird. Um diesen Nachteil zu beheben, werden bei Teillast der Gasturbine einzelne Brenner abgeschaltet, so dass die restlichen Brenner in ihrem Stabilitätsbereich betrieben werden können. Damit geht jedoch eine Verschlechterung der Temperaturverteilung über den Umfang einher.To achieve the lowest possible NOx emissions, burners are operated close to their lean extinguishing limit. This creates the disadvantage that the control range of the burner is severely restricted. In order to remedy this disadvantage, individual burners are switched off at partial load of the gas turbine, so that the remaining burners can be operated in their stability range. However, this is accompanied by a deterioration in the temperature distribution over the circumference.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung des Regelbereichs der Brenner ist das in Achsnähe erfolgende Anfetten der Brenngase mit zusätzlichem Brennstoff, auch interne Pilotierung genannt. Dabei wird der Stabilitätsbereich der Brenner durch das Eindüsen eines Pilotgases so weit erweitert, dass ein sicherer Betrieb gewährleistet ist.
Zum wahlweisen Betrieb eines Brenners mit Gas oder Brennöl ist ein Verfahren bekannt, bei dem das alternativ zum Pilotgas verwendete Brennöl mit Hilfe einer Airblast-Düse zerstäubt wird. Bei diesem Verfahren wird zur Zerstäubung des Brennöles in Achsnähe, d.h. im Zentrum des Brenners Luft eingedüst. Das geschieht aber nicht nur bei der Brennölzerstäubung, sondern auch im Pilotbetrieb mit Gas, bei dem jedoch keine Gebläseluft zur Zerstäubung erforderlich ist.
Diese zusätzliche Luft destabilisiert die Pilotgasflamme zum einen durch Abmagerung und zum anderen durch die Anströmung selbst. Die Destabilisierung führt zu einer deutlichen Herabsetzung der mageren Löschgrenze der Gasflamme.Another possibility to improve the control range of the burners is to enrich the fuel gases with additional fuel near the axis, also called internal piloting. The stability range of the burner is expanded by the injection of a pilot gas so that safe operation is guaranteed.
For the optional operation of a burner with gas or fuel oil, a method is known in which this is an alternative to the pilot gas used fuel oil is atomized using an airblast nozzle. In this process, air is injected near the axis, ie in the center of the burner, to atomize the fuel oil. However, this does not only take place in the case of fuel oil atomization, but also in pilot operation with gas, in which, however, no fan air is required for atomization.
This additional air destabilizes the pilot gas flame on the one hand through leaning and on the other hand through the inflow itself. The destabilization leads to a significant reduction in the lean extinguishing limit of the gas flame.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines kombinierten Brenners für flüssige und gasförmige Brennstoffe zwecks Heissgaserzeugung zu schaffen, welche die magere Stabilitätsgrenze der Gasflamme ohne Beeinträchtigung der Zerstäubung des flüssigen Brennstoffes heraufsetzen und den Regelbereich des Brenners verbessern.The invention tries to avoid all of these disadvantages. It is the object of the invention to provide a method and a device for operating a combined burner for liquid and gaseous fuels for the purpose of hot gas generation, which increase the lean stability limit of the gas flame without impairing the atomization of the liquid fuel and improve the control range of the burner.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1, der Zustrom der Gebläseluft in den Brennerinnenraum gesteuert wird. Dazu wird die Gebläseluft beim Betrieb mit gasförmigem Brennstoff abgedrosselt bzw. abgedrosselt und zusätzlich verwirbelt oder es erfolgt eine aktive Regelung ihres Zustroms, sowohl bei Verwendung von gasförmigem als auch von flüssigem Brennstoff.This is achieved according to the invention in that, in a method according to the preamble of claim 1, the inflow of the blower air into the burner interior is controlled. For this purpose, the fan air is throttled or throttled and additionally swirled when operating with gaseous fuel or there is an active regulation of its inflow, both when using gaseous and liquid fuel.

Die Abdrosselung wird vorteilhaft durch Verdrängung der Gebläseluft mittels des Pilotgases erreicht. Zu diesem Zweck mündet der Pilotgaskanal in der Luftzuführungsleitung bzw. im äusseren und/oder inneren Luftkanal, so dass das Pilotgas innerhalb der Airblast-Düse oder stromab, im Bereich unmittelbar davor in die Gebläseluft eingeführt wird. Die Eindüsstelle liegt so weit von der Lufteintrittsöffnung des Brenners entfernt, dass der gasförmige Brennstoff nicht in das Plenum vor dem Brenner zurückströmen kann.The throttling is advantageously achieved by displacing the fan air by means of the pilot gas. For this purpose, the pilot gas duct opens into the air supply line or into the outer and / or inner air duct, so that the pilot gas directly in the area or downstream of the airblast nozzle before being introduced into the blower air. The injection point is so far away from the air inlet opening of the burner that the gaseous fuel cannot flow back into the plenum in front of the burner.

Bei diesem Verfahren wird das Pilotgas unter einem höheren Druck als die Gebläseluft in diese eingedüst. Es drosselt daher zum einen den Zustrom der Gebläseluft und wird zum anderen bereits vor Eintritt in den Brennerinnenraum zumindest teilweise mit dieser Luft vermischt. Die Drosselung der Luftzufuhr führt zur gewünschten Anfettung der Brenngase und die frühzeitige Vermischung des Pilotgases mit der Gebläseluft zur Verminderung des Anströmens der Gasflamme. Dadurch wird im Pilotgasbetrieb eine Stabilisierung der Flamme und eine Verbesserung der mageren Löschgrenze erreicht, ohne auf die Möglichkeit der vorteilhaften Brennölzerstäubung mittels einer Airblast-Düse zu verzichten.In this process, the pilot gas is injected into it at a higher pressure than the blower air. On the one hand, it throttles the inflow of the fan air and, on the other hand, it is at least partially mixed with this air before it enters the burner interior. The throttling of the air supply leads to the desired enrichment of the fuel gases and the premature mixing of the pilot gas with the blower air to reduce the inflow of the gas flame. As a result, the flame is stabilized in pilot gas operation and the lean extinguishing limit is improved without sacrificing the possibility of advantageous fuel oil atomization using an airblast nozzle.

Es ist besonders zweckmässig, wenn am Übergang des Pilotgas-Luft-Gemisches von der Airblast-Düse in den Brennerinnenraum ein Querschnittsprung der Brennerwand ausgebildet ist. Durch die Ablösung der Strömung hinter dem Querschnittsprung wird das Pilotgas-Luft-Gemisch an der Brennerachse gehalten und damit die magere Löschgrenze weiter verbessert. Die Kontur der Airblast-Düse am Zerstäubungsquerschnitt bleibt unverändert und ihre Funktion wird nicht beeinträchtigt.It is particularly expedient if a cross-sectional jump in the burner wall is formed at the transition of the pilot gas-air mixture from the airblast nozzle into the interior of the burner. By detaching the flow behind the cross-sectional jump, the pilot gas-air mixture is held on the burner axis, thus further improving the lean extinguishing limit. The contour of the airblast nozzle at the atomizing cross section remains unchanged and its function is not impaired.

In dem Verfahren, bei dem die Steuerung des Zustromes der Gebläseluft in den Brennerinnenraum durch deren Abdrosselung und zusätzliche Verwirbelung erfolgt, wird das Pilotgas entgegen der Strömungsrichtung der Gebläseluft in den äusseren Luftkanal eingedüst. Durch diese Art der Eindüsung ist es möglich, den Zustrom der beim Betrieb des Brenners mit gasförmigem Brennstoff störenden Gebläseluft, insbesondere deren Axialimpuls, weitgehend abzudrosseln. Die Eindüsung des Pilotgases in den äusseren Luftkanal geschieht tangential und entweder entgegen der oder in Drehrichtung der Haupt-Brennerluft.
Infolge der tangentialen Eindüsung des Pilotgases wird der Gebläseluft zusätzlich ein Drall verliehen. Ist dieser Drall entgegengesetzt zur Drehrichtung der Haupt-Brennerluft des Brenners ausgerichtet, kommt es im Brennerinnenraum zu einer verstärkten Reibung und damit Vermischung der beiden Luftströme. Damit wird der axiale Impuls der Gebläseluft abgeschwächt und der Vortex-Breakdown, d.h. das Aufplatzen des Brenngemisches, in den Brenner hinein verschoben. Wird der Gebläseluft dagegen ein zur Drehrichtung der Haupt-Brennerluft gleichgerichteter Drall verliehen, verstärkt das den Wirbelkern des Brenngemisches in der Brennerachse, so dass der Vortex-Breakdown intensiviert und ebenfalls in Richtung der Düse verschoben wird. Auf diese Weise führt die tangentiale Eindüsung des Pilotgases in die Gebläseluft, unabhängig von der Drallrichtung, zur einer Verbesserung der Flammhaltung und damit zur Stabilisierung der Verbrennung.
Gleiche Effekte lassen sich durch Einführung bereits zuvor verdrallten Pilotgases in die Gebläseluft erzielen. Dazu ist zwischen der Brennerwand und der Zwischenwand von Pilotgaskanal und äusserem Luftkanal zumindest ein Abstandhalter angeordnet und vorzugsweise gewunden ausgebildet. Er dient der Zentrierung der Brennstoffzufuhrhülse im Brenner und erzeugt in seiner bevorzugten Ausbildung den Drall des zugeführten Pilotgases. Alternativ dazu kann der Drall auch mittels separat angeordneter Drallerzeuger hervorgerufen werden.In the method in which the inflow of the blower air into the interior of the burner is controlled by throttling it and additional swirling, the pilot gas is injected into the outer air duct against the direction of flow of the blower air. With this type of injection, it is possible to largely throttle the inflow of the blown air, particularly its axial impulse, which interferes with the operation of the burner with gaseous fuel. The pilot gas is injected into the outer air duct tangentially and either against or in the direction of rotation of the main burner air.
As a result of the tangential injection of the pilot gas, the fan air is additionally given a swirl. If this swirl is oriented in the opposite direction to the direction of rotation of the main burner air, there is increased friction in the interior of the burner and thus mixing of the two air flows. This weakens the axial impulse of the blown air and shifts the vortex breakdown, ie the bursting of the fuel mixture, into the burner. If, on the other hand, the fan air is given a swirl that is aligned with the direction of rotation of the main burner air, this reinforces the vortex core of the combustion mixture in the burner axis, so that the vortex breakdown is intensified and also shifted towards the nozzle. In this way, the tangential injection of the pilot gas into the fan air, regardless of the swirl direction, leads to an improvement in flame retardancy and thus to stabilization of the combustion.
The same effects can be achieved by introducing pilot gas that has previously been swirled into the blower air. For this purpose, at least one spacer is arranged between the burner wall and the intermediate wall of the pilot gas duct and the outer air duct, and is preferably configured as a spiral. It serves to center the fuel feed sleeve in the burner and, in its preferred embodiment, generates the swirl of the pilot gas supplied. As an alternative to this, the swirl can also be produced by means of separately arranged swirl generators.

Wenn der Pilotgaskanal stromaufwärts, im Bereich vor der Airblast-Düse in die Luftzuführungsleitung mündet, wird das Pilotgas an dieser Stelle in die gesamte Gebläseluft eingeleitet und mit ihr vermischt, so dass beide Luftkanäle der Airblast-Düse von dem gebildeten Pilotgas-Luft-Gemisch durchströmt werden. Das hat den zusätzlichen Vorteil einer vemehrten Abdrosselung der Luft und damit der weiteren Anfettung des zur internen Pilotierung vorgesehenen Pilotgas-Luft-Gemisches zur Folge. Ausserdem kommt es zu einer verbesserten Vormischung des Pilotgases mit der Gebläseluft.
Ähnliche Vorteile lassen sich bei der innerhalb der Airblast-Düse erfolgenden Einleitung des Pilotgases in beide Luftkanäle erzielen. Die Gebläseluft kann in dieser Variante jedoch noch stärker abgedrosselt werden.If the pilot gas duct flows upstream into the air supply line in the area in front of the airblast nozzle, the pilot gas is introduced at this point into the entire blower air and mixed with it, so that the pilot gas / air mixture formed flows through both air ducts of the airblast nozzle become. This has the additional advantage of an increased throttling of the air and thus the further enrichment of the pilot gas-air mixture intended for internal piloting result. In addition, there is an improved premixing of the pilot gas with the blower air.
Similar advantages can be achieved by introducing the pilot gas into both air channels within the airblast nozzle. The fan air can be throttled even more in this variant.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Eintritt der Gebläseluft in den Brennerinnenraum aktiv geregelt. Das geschieht durch Regelung des Zustroms der Gebläseluft aus dem Plenum in den Brenner, sowohl beim Einsatz von gasförmigem als auch von flüssigem Brennstoff. Dazu ist auf der Brennstofflanze oder dem Brennerstutzen ein antreibbarer Verstellmechanismus angeordnet, welcher beim Betrieb des Brenners mit gasförmigem Brennstoff dessen Lufteintrittsöffnung für die Gebläseluft zumindest teilweise verschliesst.
Wird die Gebläseluft ausschliesslich zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff benötigt, kann zur Betätigung des Verstellmechanismus und damit zur Öffnung der Lufteintrittsöffnungen des Brenners vorteilhaft dessen Brennstoffdruck genutzt werden. Als Gegendruck zum Verschliessen der Lufteintrittsöffnungen dient dann der Druckabfall der Brennkammer bei Beendigung der Brennstoffzufuhr.
Zusätzlich zu den bisher beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemässen Lösung ist es in dieser Ausführungsform möglich, den Zustrom der Gebläseluft an den konkreten Lastzustand des Brenners anzupassen. Zu diesem Zweck erfolgt die Regelung des Zustroms der Gebläseluft separat.In another embodiment of the invention, the entry of the blower air into the interior of the burner is actively regulated. This is done by regulating the inflow of fan air from the plenum into the burner, both when using gaseous and liquid fuel. For this purpose, a drivable adjustment mechanism is arranged on the fuel lance or the burner nozzle, which at least partially closes the air inlet opening for the blower air when the burner is operated with gaseous fuel.
If the blower air is required exclusively for atomizing liquid fuel, the fuel pressure of the burner can advantageously be used to actuate the adjustment mechanism and thus to open the air inlet openings. The pressure drop in the combustion chamber at the end of the fuel supply then serves as back pressure for closing the air inlet openings.
In addition to the previously described advantages of the solution according to the invention, it is possible in this embodiment to adapt the inflow of the blown air to the specific load state of the burner. For this purpose, the fan air flow is regulated separately.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand verschiedener, mit jeweils einer Airblast-Düse versehenen Brenner dargestellt.In the drawing, several exemplary embodiments of the invention are shown on the basis of different burners, each provided with an airblast nozzle.

Es zeigen:

Fig. 1: schematische Darstellung der Anordnung eines mit einer Airblast-Düse ausgestatteten Brenners;
Fig. 2: einen Teillängsschnitt des Brenners;
Fig. 3: einen Teillängsschnitt des Brenners in einer anderen Ausbildungsform;
Fig. 4: einen Teillängsschnitt des Brenners in einer weiteren Ausbildungsform;
Fig. 5: einen Teillängsschnitt des Brenners in einer nächsten Ausbildungsform;
Fig. 6: einen vergrösserten Ausschnitt von Fig. 5;
Fig. 7: einen Schnitt VII-VII durch die Airblast-Düse, entsprechend Fig. 6;
Fig. 8: einen Querschnitt VIII-VIII durch den Brenner entsprechend Fig. 1, in der Ausgestaltung nach Fig. 5 bis 7, in vereinfachter Darstellung;
Fig. 9: eine Darstellung entsprechend Fig. 7, jedoch mit entgegengesetzt ausgerichteten Bohrungen;
Fig. 10: eine Darstellung entsprechend Fig. 8, jedoch in der Ausgestaltung nach Fig. 9;
Fig. 11: einen Teillängsschnitt des Brenners in einer weiteren Ausbildungsform;
Fig. 12: einen vergrösserten Ausschnitt von Fig. 11;
Fig. 13: einen Schnitt XIII-XIII durch die Airblast-Düse entsprechend Fig. 12;
Fig. 14: einen Längsschnitt des Brenners, in einer nächsten Ausbildungsform;
Fig. 15: einen Längsschnitt des Brenners, in einer weiteren Ausbildungsform;
Fig. 16: einen vergrösserten Ausschnitt entsprechend Fig. 15, in einer weiteren Ausbildungsform.

Show it:

Fig. 1: schematic representation of the arrangement of a burner equipped with an airblast nozzle;
Fig. 2: a partial longitudinal section of the burner;
Fig. 3: a partial longitudinal section of the burner in another form of training;
Fig. 4: a partial longitudinal section of the burner in a further embodiment;
Fig. 5: a partial longitudinal section of the burner in a next embodiment;
Fig. 6: an enlarged section of Fig. 5;
Fig. 7: a section VII-VII through the airblast nozzle, corresponding to Fig. 6;
Fig. 8: a cross-section VIII-VIII through the burner according to Figure 1, in the embodiment of Figures 5 to 7, in a simplified representation.
Fig. 9: a representation corresponding to Figure 7, but with oppositely aligned holes.
Fig. 10: a representation corresponding to FIG 8, but in the embodiment of FIG. 9.
Fig. 11: a partial longitudinal section of the burner in a further embodiment;
Fig. 12: an enlarged section of Fig. 11;
Fig. 13: a section XIII-XIII through the airblast nozzle according to Fig. 12;
Fig. 14: a longitudinal section of the burner, in a next embodiment;
Fig. 15: a longitudinal section of the burner, in a further embodiment;
Fig. 16: an enlarged section corresponding to FIG. 15, in a further embodiment.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.Only the elements essential for understanding the invention are shown. The direction of flow of the work equipment is indicated by arrows.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention

Im stromaufwärtigen Ende eines als Doppelkegelbrenner ausgebildeten Brenners 1 ist eine Airblast-Düse 2 angeordnet. Sie wird über eine mit dem Doppelkegelbrenner 1 verbundene Brennstofflanze 3 mit flüssigem Brennstoff 4 und Gebläseluft 5 versorgt. Zudem liefert die Brennstofflanze 3 den gasförmigen Brennstoff 6 für den Doppelkegelbrenner 1, während er seine Haupt-Brennerluft 7 aus dem Raum innerhalb der Brennerhaube 8 erhält. Die Gebläseluft 5 kann auch direkt aus einem ausserhalb der Brennerhaube 8 befindlichen Plenum 34 zugeführt werden. Ausserdem wird zum Anfetten der Brenngase in Achsnähe des Doppelkegelbrenners 1 über die Brennstofflanze 3 zusätzlich gasförmiger Brennstoff, sogenanntes Pilotgas 9 in den Brenner 1 eingedüst. Stromabwärts mündet dieser in die Brennkammer 10 (Fig. 1).An airblast nozzle 2 is arranged in the upstream end of a burner 1 designed as a double-cone burner. It is supplied with liquid fuel 4 and forced air 5 via a fuel lance 3 connected to the double-cone burner 1. In addition, the fuel lance 3 supplies the gaseous fuel 6 for the double-cone burner 1 while it receives its main burner air 7 from the space inside the burner hood 8. The blower air 5 can also be supplied directly from a plenum 34 located outside the burner hood 8. In addition, in order to enrich the fuel gases near the axis of the double-cone burner 1, additional fuel gas, so-called pilot gas 9, is injected into the burner 1 via the fuel lance 3. Downstream this opens into the combustion chamber 10 (Fig. 1).

Die Airblast-Düse 2 weist einen inneren 11 und einen äusseren Luftkanal 12 auf. Konzentrisch dazu ist ein Pilotgaskanal 13 angeordnet. Die beiden Luftkanäle 11,12 sind stromauf mit einer Luftzuführungsleitung 14 verbunden und münden am Zerstäubungsquerschnitt 15 der Airblast-Düse 2 in den Brennerinnenraum 16. Die Luftzuführungsleitung 14 bzw. der äussere Luftkanal 12 wird durch eine Zwischenwand 17 vom Pilotgaskanal 13 getrennt (Fig. 2 bis Fig. 4).The airblast nozzle 2 has an inner 11 and an outer air duct 12. A pilot gas channel 13 is arranged concentrically to this. The two air ducts 11, 12 are connected upstream to an air supply line 14 and open into the burner interior 16 at the atomization cross section 15 of the airblast nozzle 2. The air supply line 14 or the outer air duct 12 is separated from the pilot gas duct 13 by an intermediate wall 17 (FIG. 2 to Fig. 4).

Die Zwischenwand 17 endet in Strömungsrichtung vor dem Zerstäubungsquerschnitt 15 der Airblast-Düse 2. Der Pilotgaskanal 13 geht dadurch direkt in den äusseren Luftkanal 12 über. Die Mündung 18 ist innerhalb der Airblast-Düse 2 und damit wesentlich näher am Zerstäubungsquerschnitt 15 als an der in Fig. 14 dargestellten Lufteintrittsöffnung 19 des Doppelkegelbrenners 1 angeordnet. Am Zerstäubungsquerschnitt 15 ist ein Querschnittsprung 20 der Brennerwand 21 ausgebildet. Zwischen der Brennerwand 21 und der Zwischenwand 17 von Pilotgaskanal 13 und äusserem Luftkanal 12 ist ein Abstandhalter 22 angeordnet und gewunden ausgebildet (Fig. 2).The intermediate wall 17 ends in the direction of flow in front of the atomizing cross section 15 of the airblast nozzle 2. The pilot gas duct 13 thus merges directly into the outer air duct 12. The mouth 18 is inside the airblast nozzle 2 and thus much closer to the atomizing cross section 15 than to that in FIG Fig. 14 shown air inlet opening 19 of the double-cone burner 1 is arranged. A cross-sectional jump 20 of the burner wall 21 is formed on the atomizing cross section 15. Between the burner wall 21 and the intermediate wall 17 of the pilot gas duct 13 and the outer air duct 12, a spacer 22 is arranged and configured as a spiral (FIG. 2).

Beim Betrieb mit gasförmigem Brennstoff 6 wird das Pilotgas 9 durch die Mündung 18 des Pilotgaskanals 13 bereits in der Airblast-Düse 2 in die Gebläseluft 5 eingeführt. Es wird dort mit ihr vermischt und drosselt damit gleichzeitig deren Zustrom. Das entstandene Pilotgas-Luft-Gemisch 23 wird unmittelbar nach dem Eintritt in den Brennerinnenraum 16 mit der durch den inneren Luftkanal 11 geströmten Gebläseluft 5 vermischt. Dabei hat die gewundene Ausbildung des Abstandhalters 22 einen Drall des in die Gebläseluft 5 eindringenden Pilotgases 9 zur Folge. Dieser Drall verleiht dem Pilotgas-Luft-Gemisch 23 den gegenüber der Haupt-Brennerluft 7 gewünschten Drehimpuls.
Im Pilotgaskanal 13 können auch mehrere als Ringnuten ausgebildete separate Drallerzeuger 24 angeordnet sein. Auf diese Weise wird ebenfalls ein Drall des Pilotgases 9 bzw. des Pilotgas-Luft-Gemisches 23 hervorgerufen (Fig. 3).When operating with gaseous fuel 6, the pilot gas 9 is already introduced into the blower air 5 through the mouth 18 of the pilot gas channel 13 in the airblast nozzle 2. It is mixed with it there and at the same time throttles its inflow. The resulting pilot gas-air mixture 23 is mixed with the blown air 5 flowing through the inner air duct 11 immediately after entering the burner interior 16. The tortuous configuration of the spacer 22 results in a swirl of the pilot gas 9 entering the blower air 5. This swirl gives the pilot gas-air mixture 23 the desired angular momentum compared to the main burner air 7.
A plurality of separate swirl generators 24 designed as ring grooves can also be arranged in the pilot gas channel 13. In this way, a swirl of the pilot gas 9 or the pilot gas-air mixture 23 is also caused (FIG. 3).

Beim Betrieb mit flüssigem Brennstoff 4 wird dieser über eine in der Brennstofflanze 3 zentral angeordnete Brennölleitung 25 in die Airblast-Düse 2 geführt, dort mittels der Gebläseluft 5 fein zerstäubt und gelangt anschliessend zur Vormischung mit der Haupt-Brennerluft 7 in den Brennerinnenraum 16 (Fig. 3).When operating with liquid fuel 4, it is fed into the airblast nozzle 2 via a fuel oil line 25 arranged centrally in the fuel lance 3, where it is finely atomized by means of the blown air 5 and then reaches the burner interior 16 for premixing with the main burner air 7 (FIG 3).

In einem anderen Ausführungsbeispiel endet der Pilotgaskanal 13 weiter stromauf, im Bereich vor der Airblast-Düse 2 und die Mündung 18 ist ebenfalls in diesem Bereich ausgebildet.
Damit wird die Gebläseluft 5 bereits vor der Airblast-Düse 2 mit dem Pilotgas 9 vermischt (Fig. 4).In another exemplary embodiment, the pilot gas duct 13 ends further upstream, in the area in front of the airblast nozzle 2 and the mouth 18 is likewise formed in this area.
The fan air 5 is thus already mixed with the pilot gas 9 in front of the airblast nozzle 2 (FIG. 4).

Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel sind in der Zwischenwand 17 von Pilotgaskanal 13 sowie äusserem Luftkanal 12 mehrere gleichmässig verteilte Bohrungen 26 angeordnet. Sie münden tangential in den äusseren Luftkanal 12 und sind sowohl entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der Gebläseluft 5 als auch zur Drehrichtung der Haupt-Brennerluft 7 des Brenners 1 ausgerichtet (Figuren 5 bis 7).
Dadurch wird die Gebläseluft 5 verstärkt abgedrosselt. Ausserdem kommt es im Brennerinnenraum 16 zu einem Gegendrall des Pilotgas-Luft-Gemisches 23 und der Haupt-Brennerluft 7 (Fig. 8). Damit wird eine bessere Vormischung des Brenngemisches 27 innerhalb des Brenners 1 erreicht, der axiale Impuls der Gebläseluft 5 abgeschwächt und der Vortex-Breakdown in den Brenner 1 hinein verschoben (Fig. 1).According to a further exemplary embodiment, a plurality of uniformly distributed bores 26 are arranged in the intermediate wall 17 of the pilot gas duct 13 and the outer air duct 12. They open tangentially into the outer air duct 12 and are oriented opposite to the direction of flow of the blower air 5 as well as to the direction of rotation of the main burner air 7 of the burner 1 (FIGS. 5 to 7).
As a result, the blower air 5 is increasingly throttled. In addition, there is a counter-swirl of the pilot gas-air mixture 23 and the main burner air 7 in the interior 16 of the burner (FIG. 8). This achieves a better premixing of the firing mixture 27 within the burner 1, the axial impulse of the fan air 5 is weakened and the vortex breakdown is shifted into the burner 1 (FIG. 1).

In einem nächsten Ausführungsbeispiel sind die Bohrungen 26 gleichfalls entgegen der Strömungsrichtung der Gebläseluft 5, aber in Drehrichtung der Haupt-Brennerluft 7 ausgerichtet (Fig. 9). Auf diese Weise wird im Brennerinnenraum 16 ein Gleichdrall des Pilotgas-Luft-Gemisches 23 und der Haupt-Brennerluft 7 erzielt (Fig. 10). Dieser Gleichdrall verstärkt die Wirbelbildung im Bereich der Brennerachse 28 und verschiebt den Vortex-Breakdown ebenfalls in den Brenner 1 hinein. So trägt auch diese Lösung zur Verbesserung der Flammhaltung und damit zur Stabilisierung der Verbrennung bei.In a next exemplary embodiment, the bores 26 are also oriented counter to the direction of flow of the blower air 5, but in the direction of rotation of the main burner air 7 (FIG. 9). In this way, a constant swirl of the pilot gas-air mixture 23 and the main burner air 7 is achieved in the burner interior 16 (FIG. 10). This constant twist increases the vortex formation in the area of the burner axis 28 and also shifts the vortex breakdown into the burner 1. This solution also helps to improve flame retardancy and thus stabilize combustion.

Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel mündet der Pilotgaskanal 13 innerhalb der Airblast-Düse 2 in beide Luftkanäle 11,12. Dazu sind im Bereich der Airblast-Düse 2 mehrere, mit je einer radialen Sackbohrung 29 versehene Befestigungselemente 30 an der Zwischenwand 17 angeordnet. Die Sackbohrungen 29 verbinden den Pilotgaskanal 13 über jeweils eine erste 31 sowie eine zweite Öffnung 32 mit dem äusseren 12 bzw. dem inneren Luftkanal 11. Dadurch wird die Gebläseluft 5 in beiden Luftkanälen 11,12 abgedrosselt (Figuren 11 bis 13).According to a further exemplary embodiment, the pilot gas duct 13 opens into both air ducts 11, 12 within the airblast nozzle 2. For this purpose, a plurality of fastening elements 30, each provided with a radial blind bore 29, are arranged on the intermediate wall 17 in the region of the airblast nozzle 2. The blind bores 29 connect the pilot gas duct 13 to the outer 12 and the inner air duct 11 via a first 31 and a second opening 32, respectively. This causes the blower air 5 to be throttled in both air ducts 11, 12 (FIGS. 11 to 13).

In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Doppelkegelbrenner 1 mittels eines Brennerstutzens 33 in der Brennerhaube 8 befestigt. Im Brennerstutzen 33 ist die Lufteintrittsöffnung 19 für die aus dem Plenum 34 zuströmende Gebläseluft 5 integriert. Zur Zufuhr des flüssigen Brennstoffes 4 schliesst am Brennerstutzen 33 stromaufwärts die Brennstofflanze 3 an. Auf ihr ist ein Verstellmechanismus 35 angeordnet und als mit einer Auskragung 36 versehene, axial verschiebbare Hülse 37 ausgebildet (Fig. 14). Der Verstellmechanismus 35 kann auch auf dem Brennerstutzen 33 angeordnet sein. Er wird von einem nicht dargestellten Antrieb gesteuert.
Indem jeweils zwei Verstellmechanismen 35 über ein ebenfalls nicht dargestelltes Gestänge miteinander verbunden sind, kann der Zustrom der Gebläseluft 5 in zwei Doppelkegelbrenner 1 vorteilhaft mittels eines gemeinsamen Antriebs geregelt werden. Natürlich kann auch ein einziger Antrieb für die Verstellmechanismen 35 aller Doppelkegelbrenner 1 einer Gasturbine vorgesehen werden.In another exemplary embodiment, the double-cone burner 1 is fastened in the burner hood 8 by means of a burner socket 33. The air inlet opening 19 for the blower air 5 flowing in from the plenum 34 is integrated in the burner nozzle 33. To supply the liquid fuel 4, the fuel lance 3 connects to the burner nozzle 33 upstream. An adjusting mechanism 35 is arranged on it and designed as an axially displaceable sleeve 37 provided with a projection 36 (FIG. 14). The adjustment mechanism 35 can also be arranged on the burner socket 33. It is controlled by a drive, not shown.
Since two adjustment mechanisms 35 are connected to each other via a linkage, also not shown, the inflow of the fan air 5 into two double-cone burners 1 can advantageously be regulated by means of a common drive. Of course, a single drive can also be provided for the adjustment mechanisms 35 of all double-cone burners 1 of a gas turbine.

Beim Betrieb des Doppelkegelbrenners 1 mit gasförmigem Brennstoff 6 verschliesst die Hülse 37 die Lufteintrittsöffnung 19 für die Gebläseluft 5 und verhindert damit deren Zustrom aus dem Plenum 34 in den Doppelkegelbrenner 1. Durch teilweises Schliessen der Lufteintrittsöffnung 19 ist es gleichfalls möglich, den Zustrom der Gebläseluft 5 in den Brennerinnenraum 16 entsprechend dem Lastzustand aktiv zu regeln.When the double-cone burner 1 is operated with gaseous fuel 6, the sleeve 37 closes the air inlet opening 19 for the blower air 5 and thus prevents its inflow from the plenum 34 into the double-cone burner 1 to actively regulate in the burner interior 16 according to the load state.

Soll mit der Gebläseluft 5 jedoch ausschliesslich flüssiger Brennstoff 4 zerstäubt werden, wird der Verstellmechanismus 35 bei Anliegen eines Brennstoffdruckes des flüssigen Brennstoffes 4 betätigt und öffnet damit die Lufteintrittsöffnungen 19 des Doppelkegelbrenners 1. Als Gegendruck zum Schliessen der Lufteintrittsöffnungen 19 wird der Brennkammerdruckabfall genutzt.If, however, only liquid fuel 4 is to be atomized with the blower air 5, the adjustment mechanism 35 is actuated when a fuel pressure of the liquid fuel 4 is applied and thus opens the air inlet openings 19 of the double-cone burner 1. The combustion chamber pressure drop is used as a counterpressure for closing the air inlet openings 19.

Gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Verstellmechanismus 35 auf einem an der Lufteintrittsöffnung 19 des Brennerstutzens 33 angreifenden, die Brennstofflanze 3 konzentrisch umschliessenden und mit zwei radialen Zuführöffnungen 3 für die Gebläseluft 5 versehenen Rohr 39 angeordnet und ebenfalls als eine axial verschiebbare Hülse 40 ausgebildet (Fig. 15). Dabei ist es durch entsprechendes Verschieben der Hülse 40 möglich, die Zufuhr der Gebläseluft 5 ganz oder teilweise abzudrosseln.According to another exemplary embodiment, the adjustment mechanism 35 is arranged on a pipe 39 which engages the air inlet opening 19 of the burner socket 33, concentrically surrounds the fuel lance 3 and is provided with two radial feed openings 3 for the blower air 5, and is also designed as an axially displaceable sleeve 40 (FIG. 15). By moving the sleeve 40 accordingly, it is possible to completely or partially restrict the supply of the blower air 5.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Verstellmechanismus 35 als eine auf dem die Brennstofflanze 3 konzentrisch umschliessenden Rohr 39 angeordnete, drehbar gelagerte Hülse 41 ausgebildet (Fig. 16).
Die Dosierung bzw. das völlige Unterbinden der Zufuhr der Gebläseluft 5 wird in dieser Variante der Erfindung durch Verdrehen der Hülse 41 realisiert. Dazu ist in ihr eine Ausnehmung 42 ausgebildet, die beim Betrieb mit flüssigem Brennstoff 3 mit der Zuführöffnung 38 korrespondiert, jedoch beim Betrieb mit gasförmigem Brennstoff 6 geschlossen werden kann.In a further exemplary embodiment, the adjustment mechanism 35 is designed as a rotatably mounted sleeve 41 arranged on the tube 39 concentrically surrounding the fuel lance 3 (FIG. 16).
In this variant of the invention, the metering or the total blocking of the supply of the blower air 5 is realized by turning the sleeve 41. For this purpose, a recess 42 is formed in it, which corresponds to the supply opening 38 when operating with liquid fuel 3, but can be closed when operating with gaseous fuel 6.

BezugszeichenlisteReference list

11: Brenner, DoppelkegelbrennerBurner, double cone burner
22nd: Airblast-DüseAirblast nozzle
33rd: BrennstofflanzeFuel lance
44th: flüssiger Brennstoffliquid fuel
55: GebläseluftBlower air
66: gasförmiger Brennstoffgaseous fuel
77: Haupt-BrennerluftMain burner air
88th: BrennerhaubeBurner hood
99: PilotgasPilot gas
99: PilotgasPilot gas
1010th: BrennkammerCombustion chamber
1111: Luftkanal, innererAir duct, inner
1212th: Luftkanal, äussererAir duct, outer
1313: PilotgaskanalPilot gas duct
1414: LuftzuführungsleitungAir supply line
1515: ZerstäubungsquerschnittAtomizing cross section
1616: BrennerinnenraumBurner interior
1717th: ZwischenwandPartition
1818th: Mündungmuzzle
1919th: LufteintrittsöffnungAir inlet opening
2020th: QuerschnittsprungCross-sectional jump
2121: BrennerwandBrenner wall
2222: AbstandhalterSpacers
2323: Pilotgas-Luft-GemischPilot gas-air mixture
2424th: DrallerzeugerSwirl generator
2525th: BrennölleitungFuel oil pipe
2626: Bohrungdrilling
2727: BrenngemischBurning mixture
2828: BrennerachseBurner axis
2929: SackbohrungBlind hole
3030th: BefestigungselementFastener
3131: Öffnung, ersteOpening, first
3232: Öffnung, zweiteOpening, second
3333: BrennerstutzenBurner nozzle
3434: Plenumplenum
3535: VerstellmechanismusAdjustment mechanism
3636: AuskragungCantilever
3737: Hülse, axial verschiebbarSleeve, axially displaceable
3838: ZuführöffnungFeed opening
3939: Rohrpipe
4040: Hülse, axial verschiebbarSleeve, axially displaceable
4141: Hülse, drehbar gelagertSleeve, rotatably mounted
4242: AusnehmungRecess

Claims

Method for operating a combined burner for liquid and gaseous fuels, in particular a double-cone burner, in which the atomization of the liquid fuel takes place in an airblast nozzle by means of blower air supplied from a plenum from outside the burner hood and the gaseous fuel in the interior of the burner, near the axis of the burner , is enriched by supplying pilot gas, characterized in that the inflow of the fan air (5) into the burner interior (16) is controlled.

A method according to claim 1, characterized in that when operating with gaseous fuel (6) the inflow of the blown air (5) into the burner interior (16) is at least partially throttled.

Method according to claims 1 and 2, characterized in that the blower air (5) is throttled by being displaced by means of the pilot gas (9).

Method according to claims 1 to 3, characterized in that the pilot gas (9) is introduced into the blower air (5).

Method according to claims 1 to 4, characterized in that the mixing of the blower air (5) with the pilot gas (9) either within the airblast nozzle (2) or upstream, in the area immediately in front of the airblast nozzle (2).

Method according to claims 1 to 5, characterized in that the pilot gas (9) within the airblast nozzle (2) is mixed with part of the blown air (5), the flow of which is throttled into the burner interior (16) and the resulting pilot gas Air mixture (23) is mixed with the other part of the blown air (5) immediately after it emerges from the airblast nozzle (2).

Method according to claims 1 to 5, characterized in that the pilot gas (9) is introduced into the blower air (5) and mixed with the blower air (5) immediately before the airblast nozzle (2) and both air ducts (11, 12) of the airblast nozzle (2) through which the formed pilot gas-air mixture (23) flows.

Method according to claims 1 to 5, characterized in that the pilot gas (9) within the airblast nozzle (2) is introduced into the blown air (5) and mixed with it, and both air channels (11, 12) of the airblast nozzle (2 ) are flowed through by the pilot gas-air mixture (23) formed.

A method according to claim 1, characterized in that the fan air (5) is swirled during operation with gaseous fuel (6) and the inflow into the burner interior (16) is at least partially throttled.

A method according to claim 9, characterized in that the pilot gas (9) is injected into the outer air duct (12) against the direction of flow of the blower air (5).

A method according to claims 9 and 10, characterized in that the pilot gas (9) is injected tangentially and counter to the direction of rotation of the main burner air (7) of the burner (1) into the outer air duct (12).

Method according to claims 9 and 10, characterized in that the pilot gas (9) is injected tangentially and in the direction of rotation of the main burner air (7) of the burner (1) into the outer air duct (12).

A method according to claim 9, characterized in that the pilot gas (9) swirls into the blown air (5) is introduced.

A method according to claim 1, characterized in that the inflow of the fan air (5) into the burner interior (16) is actively controlled.

A method according to claim 14, characterized in that the control takes place at least when changing from operation with liquid (4) to operation with gaseous fuel (6) and vice versa.

A method according to claim 14 and 15, characterized in that the control when a fuel pressure is applied of the liquid fuel (4) is triggered and the combustion chamber pressure drop is used as counter pressure.

A method according to claim 14 and 15, characterized in that the regulation takes place separately.

Apparatus for carrying out the method according to claim 1, wherein the burner has an airblast nozzle with two concentric air channels fed by an air supply line and a pilot gas channel arranged concentrically therewith, the air channels opening into the interior of the burner at the atomizing cross section of the airblast nozzle, the channels passing through Partitions are separated from one another, characterized in that the partition (17) of the pilot gas duct (13) and the outer air duct (12) ends in the flow direction before the atomizing cross section (15) of the airblast nozzle (2) and the pilot gas duct (13) into the air supply line (14) or opens into at least one of the air channels (11, 12).

Apparatus according to claim 18, characterized in that the pilot gas duct (13) is connected to the outer air duct (12) and the mouth (18) is arranged inside the airblast nozzle (2).

Apparatus according to claim 18 and 19, characterized in that the pilot gas duct (13) merges directly into the outer air duct (12).

Apparatus according to claim 18 and 19, characterized in that in the intermediate wall (17) of the pilot gas channel (13) and the outer air duct (12) are arranged several evenly distributed bores (26) which open tangentially into the outer air duct (12) and are oriented opposite to the direction of flow of the blower air (5).

Device according to claims 18, 19 and 21, characterized in that the bores (26) are oriented opposite to the direction of rotation of the main burner air (7) of the burner (1).

Device according to claims 18, 19 and 21, characterized in that the bores (26) are aligned in the direction of rotation of the main burner air (7) of the burner (1).

Apparatus according to claim 18, characterized in that the pilot gas duct (13) is connected to both air ducts (11, 12) and the mouth (18) is arranged inside the airblast nozzle (2).

Device according to claim 24, characterized in that a plurality of fastening elements (30) for the intermediate wall (17) provided with a radial blind bore (29) are arranged in the region of the airblast nozzle (2) and the blind bores (29) contain the pilot gas channel (13 ) connect via a first (31) and a second opening (32) to the outer (12) and the inner air duct (11).

Apparatus according to claim 18, characterized in that the pilot gas channel (13) with the air supply line (14) connected and the mouth (18) is arranged upstream, in the area immediately in front of the airblast nozzle (2).

Device according to claims 18 to 20 and 24 to 26, characterized in that at least one spacer (22) is arranged between the burner wall (21) and the intermediate wall (17) and is preferably designed to be spiral.

Device according to claims 18 to 20 and 24 to 26, characterized in that several separate swirl generators (24) are arranged in the pilot gas channel (13) and are preferably designed as annular grooves.

Device according to claims 18 to 28, characterized in that at the transition of the pilot gas-air mixture (23) from the airblast nozzle (2) to the burner interior (16) a cross-sectional jump (20) of the burner wall (21) is formed.

Apparatus for carrying out the method according to claim 1, in which the burner is fastened in the burner hood by a burner socket with an integrated air inlet opening for the blown air and connects a fuel lance upstream to supply the liquid fuel to the burner socket, characterized in that on the fuel lance (3) or the burner nozzle (33) is arranged an adjustment mechanism (35) which at least partially closes the air inlet opening (19) of the blower air (5) when the burner (1) is operated with gaseous fuel (6).

Apparatus according to claim 30, characterized in that the adjusting mechanism (35) is designed as an axially displaceable sleeve (37) provided with a projection (36).

Apparatus according to claim 30, characterized in that the adjusting mechanism (35) on a one which engages on the air inlet opening (19) of the burner nozzle (33), concentrically encloses the fuel lance (3) and has at least one radial feed opening (38) for the blower air (5 ) trained tube (39) is arranged.

Apparatus according to claim 32, characterized in that the adjusting mechanism (35) is designed as an axially displaceable sleeve (40) or as a rotatably mounted sleeve (41).

Apparatus according to claim 33, characterized in that in the rotatably mounted sleeve (41) at least one, corresponding to the feed opening (s) (38) for the blown air (5), at least partially closed during operation with gaseous fuel (6) Recess (42) is formed.