EP0911583B1 - Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners - Google Patents

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EP0911583B1
EP0911583B1 EP97810800A EP97810800A EP0911583B1 EP 0911583 B1 EP0911583 B1 EP 0911583B1 EP 97810800 A EP97810800 A EP 97810800A EP 97810800 A EP97810800 A EP 97810800A EP 0911583 B1 EP0911583 B1 EP 0911583B1
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EP
European Patent Office
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fuel
premix burner
burner
liquid
inner chamber
Prior art date
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EP97810800A
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English (en)
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EP0911583A1 (de
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Adnan Dr. Eroglu
Jaan Dr. Hellat
Jakob Prof. Dr. Keller
Robin Mcmillan
Roger Suter
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Alstom SA
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
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Priority to JP10303862A priority patent/JPH11304111A/ja
Priority to US09/179,460 priority patent/US6270338B1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/24—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by pressurisation of the fuel before a nozzle through which it is sprayed by a substantial pressure reduction into a space
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/38—Nozzles; Cleaning devices therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads
    • F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a premix burner according to Claim 1 and a corresponding premix burner to carry out the procedure.
  • Combustion chambers have long been available for stationary gas turbines in power plants with pre-mix burners designed as so-called double-cone burners proven, where the fuel from the outside by insertable fuel lances is fed.
  • the lance is usually designed as a two-fuel lance, i.e. optionally gaseous fuel, e.g. Pilot gas, and / or more liquid Fuel, for example an oil-water mixture, are supplied.
  • a liquid fuel pipe an atomizing air pipe and a pilot gas pipe arranged concentrically.
  • the tubes each form a channel for the Liquid fuel, the atomizing air and the pilot gas, which at the lance head in end of a central fuel nozzle.
  • the fuel lance is stuck with its lance head in a corresponding inner tube of the double-cone burner, so that the escaping fuel in the middle of the burner interior connected to the inner tube arrives (see DE 43 06 956 A1, EP0 794 383 A).
  • a double cone burner which is used for intended for use in a combustion chamber connected to a gas turbine is.
  • This burner consists of two hollow, complementary to the double cone burner Partial bodies that are arranged radially offset from each other. He owns one with hollow cone-shaped interior enlarging in the direction of flow tangential air inlet slots.
  • the fuel supply for the double-cone burner takes place from the outside via the fuel lance, which goes into the central liquid fuel nozzle empties.
  • the latter forms a hollow cone-shaped fuel spray consisting of liquid fuel and air, in which most fuel droplets at the outer end of the conical spray pattern are concentrated.
  • full jet atomizers are used downstream with pre-mix burners equipped combustion chambers of gas turbine plants, however not used because the liquid fuel is atomized quickly shall be.
  • the described full jet atomizer is for many combustion applications not very suitable because it tends to drop the fuel to concentrate in a small area immediately downstream of the nozzle. Especially under the unfavorable conditions of a low air / fuel ratio and at low air speed, atomization cannot be sufficient be achieved.
  • the invention has for its object a method for operating a premix burner to create which is improved in certain operating modes Has functional reliability and functionality.
  • a corresponding Premix burners for performing the method can be specified.
  • this is achieved by using an operating method a premix burner, at least one liquid fuel in a full jet and with an injection angle ⁇ injected into the interior of the premix burner of less than 10 ° becomes.
  • the liquid fuel nozzle is provided with a simple injection opening, which has a guide length I and a diameter d.
  • the one through the Injection opening axially injected liquid fuel into the interior of the premix burner forms a full jet due to the influence of the opening Injection angle is less than 10 ° and is therefore relatively small.
  • the act Fuel jet and the combustion air flow inside the premix burner together. Mainly due to the shear forces between the fuel jet and the swirled combustion air, is in the downstream area of the premix burner achieved good atomization, resulting in combustion suitable, fine droplets are generated. Because of the small injection angle and the concentration of the axial pulse of the injected fuel in the burner axis, the influence of the swirl flow on the fuel droplets significantly reduced.
  • the liquid fuel nozzle used is particularly simple, robust and reliable, which also helps to reduce costs.
  • Your main parameters are the diameter d, the guide length I and the shape of the injection opening.
  • the degree of turbulence is also decisive for the atomization Fuel flow, which is mainly due to the conditions upstream Injection opening and defined by the aforementioned axial guide length is.
  • the injection opening particularly advantageously has a ratio of the guide length to the diameter of 4 ⁇ l / d ⁇ 6.
  • a ratio of the guide length to the diameter of the injection opening is determined by the textbook “Atomization and sprays "by A. Lefebvre, West Lafayette, Indiana 1989, pp. 155-161, In particular in Fig. 5.4., which results are shown on the basis of test results Influence the ratio of the guide length to the diameter of the injection opening on the injection coefficient, i.e. on the ratio of the current to the theoretical flow rate through the injection opening.
  • Quotient l / d examined up to 10 and found that the greatest injection coefficient is reached with a quotient l / d of approx. 2.
  • this compact liquid fuel spray is in such an atomizer nozzle or a suitably equipped premix burner on the burner head there is no fully prepared fuel mixture yet. Therefore, a pulsation-free operation over a wide load range and also with different ones Amount of water reached.
  • the compact liquid fuel spray also hits not on the burner walls, causing the premix burner to overheat and the combustion chamber can be prevented as well as coking inside of the premix burner.
  • Another, which is exclusively within the liquid fuel spray located in the combustion air flow The advantage is good ignition and partial load capability without an additional injection stage. As a result, both the fuel lance and the driving concept are the entire combustion chamber easier and cheaper. After all, that too Retrofitting existing pre-mix burners possible with minimal costs.
  • the fuel lance consists of a central liquid fuel pipe, which is coaxially surrounded by an air tube. Because the liquid Full jet in this process or through the corresponding device is surrounded by an air flow, the liquid fuel spray remains small Mass flow in the center of the interior of the burner. So that is stability of liquid fuel, especially at low liquid flow rates, i.e. improved in ignition and partial load of the gas turbine, both improved ignition performance and higher part-load combustion performance become. With large liquid flow rates, however, the dominates Liquid flow. In addition, the injection opening and the area of the Burner head by the air flow against fuel deposits and consequently protected against coking.
  • the screen airflow is at a speed from 5 to 60 m / s and with a mass of 0.1 to 2.0% of the total air mass flow is injected into the interior of the premix burner.
  • this serves Shield air flow not for atomizing the liquid fuel, which is about 5 to 10% of the total air mass flow would be required. Rather, it will Small amount of axially injected air to control the aerodynamics in the area near the injection port, i.e. to improve the flow conditions of the Premix burner used.
  • the air prevents that from Cross-sectional jump downstream of the injection opening caused suction of the Liquid jet on the inner wall of the premix burner and on the other one local twist count too high.
  • the air flow also increases axial penetration of the full jet of liquid emerging from the liquid fuel nozzle.
  • the premix burner In a further embodiment of the invention, it is located in the interior of the premix burner, full jet of one spreading in the flow direction rotating combustion air stream flowing tangentially into the burner.
  • the ignition of the combustion mixture that takes place takes place in the Area of the burner mouth instead, the flame in this area by a Backflow zone is stabilized.
  • the premix burner consists of at least two hollow partial cone bodies, radially offset from each other, with a hollow cone-shaped interior that increases in the direction of flow.
  • the burner has tangential air inlet slots and the liquid fuel nozzle is connected to a fuel lance used to supply fuel.
  • this method provides a form of liquid spray with a small injection angle, which with the small opening angle of the premix burner interacts optimally. This creates ideal conditions for the Combustion of liquid fuel by means of a premix burner designed in this way created.
  • FIG. 1 two exemplary embodiments of the invention are shown in FIG the premix burner used in the combustion chamber of a gas turbine system represented a liquid fuel nozzle according to the invention.
  • the gas turbine system for example, does not show the compressor and the gas turbine.
  • the direction of flow of the work equipment is indicated by arrows.
  • the gas turbine plant consists of a compressor, one Gas turbine and a combustion chamber 1.
  • the combustion chamber 1 there are several both for operation with liquid fuel 2 as well as with gaseous fuel 3 suitable and designed as a double-cone pre-mix burner 4.
  • the double-cone burners 4 each consist of two half, hollow partial cone bodies 5, 6, each with an inner wall 7, 8. Close both inner walls 7, 8 a hollow conical interior 9 that increases in the direction of flow a (Fig. 1).
  • the partial cone bodies 5, 6 each have an offset to the other arranged central axis 10, 11.
  • Both partial cone bodies 5, 6 each have a cylindrical one Initial part 15, 16.
  • the initial parts 15, 16 are analogous to the partial cone bodies 5, 6 staggered.
  • Fuel lance 18 arranged (Fig. 1).
  • the liquid fuel nozzle 17 has one simple, circular injection opening 19 (Fig. 2).
  • This injection opening 19 has a diameter d and a guide length l, the quotient of the Guide length l and the diameter d is 4 (Fig. 3).
  • the injection opening 19 can correspond to the specific operating conditions the double cone burner 4 also another suitable shape and the quotient of guide length and diameter is an amount up to 6 to have.
  • the double-cone burner 4 can be purely conical, i.e. without the cylindrical starting parts 15, 16 are formed (not shown).
  • Both partial cone bodies each have a fuel line provided with openings 20 21, 22, which at the end of the tangential air inlet slots 12, 13 is appropriate.
  • openings 20 21, 22 Through the fuel lines 21, 22, the gaseous fuel 3 fed and through the openings 20 into the tangential air inlet slots 12, 13 initiated. Mixing of the gaseous fuel 3 takes place there with the combustion air 14 flowing in from the outside.
  • Combustion chamber side 1 the double cone burner 4 has a collar-shaped, as anchoring for the Partial cone body 5, 6 serving end plate 23 with a number of holes 24 (Fig. 1). If necessary, the combustion chamber 1 can pass through these bores 24 Cooling air 25 are supplied.
  • the double-cone burner 4 is also used as a liquid fuel via the fuel lance 18 2 fuel oil used.
  • the fuel oil 2 is through the central Injection opening 19 of the liquid fuel nozzle 17 with an injection angle ⁇ injected smaller than 10 ° into the interior 9. Because of this narrow injection angle initially arises in the interior 9 of the double-cone burner 4 compact full jet 26, which only opens downstream and in which the fuel droplets are evenly distributed over the entire cross-section.
  • a full jet 26 has sufficient fuel spray in its center axial impulses so that the fuel droplets do not hit the inner walls 7, 8 of the partial cone body 5, 6 are worn. It can also have this effect due to a relatively high injection speed of the fuel oil 2 of 20 to 60 m / s to be reinforced.
  • the full jet 26 spreads in the interior 9 of the double-cone burner 4 in the direction of flow evenly and ultimately takes on a conical shape Shape.
  • the resulting fuel mixture is ignited in the area of the burner orifice, whereby a flame front 27 is formed, which in turn is in the area the burner mouth is stabilized by a backflow zone 28.
  • the pulse of the full jet 26 can also be regulated that depending on the premix burner 4 used and the current one Load state of the combustion chamber 1 required penetration depth of the fuel drops is achieved.
  • the fuel lance 18 consists of a central liquid fuel tube 29, which is coaxially surrounded by an air tube 30 (Fig. 4).
  • the double-cone burner 4 is therefore simultaneous with the injection of the Fuel oil 2, but radially outside and concentric with fuel oil 2 Shield air flow 31 introduced into the interior 9 of the double-cone burner 4.
  • This screen air flow 31 is injected at a speed of approx. 30 m / s and a mass of 0.1 to 2.0% of the total air mass flow of the double-cone burner 4.
  • an even more compact full jet 26 'generated which bursts only at the end of the burner (Fig. 5). Cools and at the same time protects the air tube 30 into the interior 9 of the double-cone burner 4 arriving screen air flow 31 the liquid fuel pipe 29. All other processes take place essentially analogously to the first embodiment.

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners gemäss Anspruch 1 und einen entsprechenden Vormischbrenner zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Für stationäre Gasturbinen in Kraftwerken haben sich seit längerem Brennkammern mit als sogenannte Doppelkegelbrenner ausgebildeten Vormischbrennern bewährt, bei denen der Brennstoff von aussen durch einsteckbare Brennstofflanzen zugeführt wird. Die Lanze ist dabei meist als Zwei-Brennstoff-Lanze ausgelegt, d.h. es kann wahlweise gasförmiger Brennstoff, z.B. Pilotgas, und/oder flüssiger Brennstoff, beispielsweise eine Öl-Wasser-Mischung, zugeführt werden. Dazu sind in der Lanze ein Flüssigbrennstoffrohr, ein Zerstäuberluftrohr und ein Pilotgasrohr konzentrisch angeordnet. Die Rohre bilden jeweils einen Kanal für den Flüssigbrennstoff, die Zerstäuberluft und das Pilotgas, welche am Lanzenkopf in einer zentralen Brennstoffdüse enden. Die Brennstofflanze steckt mit ihrem Lanzenkopf in einem entsprechenden Innenrohr des Doppelkegelbrenners, so dass der austretende Brennstoff mittig in den an das Innenrohr anschliessenden Brennerinnenraum gelangt (s. DE 43 06 956 A1, EP0 794 383 A).
Aus dem EP 03 21 809 B1 ist ebenfalls ein Doppelkegelbrenner bekannt, der für den Einsatz in einer mit einer Gasturbine verbundenen Brennkammer vorgesehen ist. Dieser Brenner besteht aus zwei hohlen, sich zum Doppelkegelbrenner ergänzenden Teilkörpern, die radial versetzt zueinander angeordnet sind. Er besitzt einen sich in Strömungsrichtung vergrössernden, hohlkegelförmigen Innenraum mit tangentialen Lufteintrittschlitzen. Die Brennstoffversorgung des Doppelkegelbrenners erfolgt von aussen über die Brennstofflanze, welche in die zentrale Flüssigbrennstoffdüse mündet. Letztere bildet im Brennerinnenraum einen hohlkegelförmigen, aus Flüssigbrennstoff und Luft bestehenden Brennstoffspray aus, bei dem die meisten Brennstoff-Tröpfchen am äusseren Ende des konischen Spraymusters konzentriert sind.
Wegen des grossen Einspritzwinkels von ca. 30° und dem Fehlen eines axialen Impulses im Zentrum, sind diese Sprays sehr anfällig auf Zentrifugalkräfte, die durch die Wirbelströmung im Brennerinneren erzeugt werden. Dadurch werden die Brennstoff-Tröpfchen relativ schnell zentrifugal nach aussen getragen, was bei bestimmten Betriebsbedingungen den Aufprall einer nicht unbedeutenden Menge des Flüssigbrennstoffs an den Brennerinnenwänden zur Folge haben kann.
Zur Zerstäubung von flüssigen Brennstoffen werden unter anderem auch sogenannte Vollstrahlzerstäuber eingesetzt, die einen kegelförmigen Vollstrahl gleichmässig verteilter Brennstoff-Tröpfchen erzeugen. Eine solche Lösung ist aus dem Lehrbuch "Atomization and Sprays", von A. Lefebvre, West Lafayette, Indiana 1989, S. 106/107, 238-241 bekannt. Bei dieser Zerstäuberdüse wird der flüssige Brennstoff aus einer Vorkammer durch eine kleine, kreisförmige Einspritzöffnung bestimmter Führungslänge unter hohem Druck ausgestossen. Dadurch erzeugt der Vollstrahlzerstäuber einen Brennstoffstrahl mit einem Einspritzwinkel von etwa 5° bis 15°.
Wegen dieses geringen Einspritzwinkels und der damit verbundenen, erst weiter stromab erfolgenden Zerstäubung werden solche Vollstrahlzerstäuber in mit Vormischbrennern ausgestatteten Brennkammern von Gasturbinenanlagen jedoch nicht eingesetzt, weil dort eine schnelle Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs erreicht werden soll. Zudem ist der beschriebene Vollstrahlzerstäuber für viele Verbrennungsanwendungen nicht sehr geeignet, weil er dazu tendiert, die Brennstofftropfen in einem kleinen Gebiet unmittelbar stromab der Düse zu konzentrieren. Insbesondere unter den ungünstigen Bedingungen eines geringen Luft/Brennstoffverhältnisses und bei niedriger Luftgeschwindigkeit kann keine ausreichende Zerstäubung erzielt werden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners zu schaffen, welches bei bestimmten Betriebsarten eine verbesserte Funktionssicherheit und Funktionsweise aufweist. Zudem soll ein entsprechender Vormischbrenner zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners, zumindest ein Flüssigbrennstoff in einem Vollstrahl und mit einem Einspritzwinkel α von kleiner als 10° in den Innenraum des Vormischbrenners eingedüst wird.
Dazu ist die Flüssigbrennstoffdüse mit einer einfachen Einspritzöffnung versehen, welche eine Führungslänge I sowie einen Durchmesser d aufweist. Der durch die Einspritzöffnung axial in den Innenraum des Vormischbrenners eingedüste Flüssigbrennstoff bildet durch den Einfluss der Öffnung einen Vollstrahl aus, dessen Einspritzwinkel geringer als 10° und damit relativ klein ist. Dabei wirken der Brennstoffstrahl und die Verbrennungsluftströmung im Inneren des Vormischbrenners zusammen. Vor allem durch die Scherkräfte zwischen dem Brennstoffstrahl und der verwirbelten Verbrennungsluft, wird im stromabwärtigen Bereich des Vormischbrenners eine gute Zerstäubung erzielt, in deren Ergebnis zur Verbrennung geeignete, feine Tröpfchen erzeugt werden. Aufgrund des geringen Einspritzwinkels und der Konzentration des Axialimpulses des eingedüsten Brennstoffs in der Brennerachse, wird der Einfluss der Drallströmung auf die Brennstofftröpfchen signifikant reduziert. Letztere werden durch die Zentrifugalkraft vom Zentrum weggetragen sowie grösstenteils mit der Verbrennungsluft vermischt. Zudem erfolgt eine Verdampfung der Brennstofftröpfchen bevor diese die Brennerwände erreichen. Auf diese Weise kann der Vollstrahl den Vormischbrenner weitgehend durchdringen, ohne dass die Brennstofftröpfchen die Brennerwände benetzen. Trotz deutlich schlechterer Zerstäubungsqualität als bei herkömmlichen Flüssigbrennstoffdüsen, findet eine ausreichende Zerstäubung statt, wobei kein signifikanter Anstieg der Schadstoffemissionen zu verzeichnen ist.
Die verwendete Flüssigbrennstoffdüse ist besonders einfach, robust und zuverlässig, was nicht zuletzt auch zur Kostenreduktion beiträgt. Ihre wichtigsten Parameter sind der Durchmesser d, die Führungslänge I und die Form der Einspritzöffnung. Ebenfalls entscheidend für die Zerstäubung ist der Turbulenzgrad der Brennstoffströmung, welcher hauptsächlich durch die Bedingungen stromauf der Einspritzöffnung und durch die bereits genannte, axiale Führungslänge definiert ist.
Besonders vorteilhaft weist die Einspritzöffnung ein Verhältnis der Führungslänge zum Durchmesser von 4 ≤ l/d ≤ 6 auf. Im bereits oben zitierten Lehrbuch "Atomization and sprays", von A. Lefebvre, West Lafayette, Indiana 1989, S. 155-161, insbesondere in Fig. 5.4., wird anhand von Versuchsergebnissen dargestellt, welchen Einfluss das Verhältnis der Führungslänge zum Durchmesser der Einspritzöffnung auf den Eindüskoeffizienten, d.h. auf das Verhältnis der aktuellen zur theoretischen Durchflussrate durch die Einspritzöffnung, besitzt. Dabei wurden Quotienten l/d bis zu 10 untersucht und festgestellt, dass der grösste Eindüskoeffizient bei einem Quotienten l/d von ca. 2 erreicht wird. Im Gegensatz zu dieser Lehrmeinung wurde der erfindungsgemässe Vormischbrenner mit einer Flüssigbrennstoffdüse ausgestattet, deren Einspritzöffnung ein Verhältnis von der Führungslänge zum Durchmesser mit 4 ≤ l/d ≤ 6 aufweist und damit einen Eindüskoeffizient zur Folge hat, welcher deutlich unterhalb des Maximums liegt. Trotzdem konnte beim Einsatz einer derart ausgebildeten Flüssigbrennstoffdüse in einem Vormischbrenner ein kompakter Flüssigbrennstoffspray mit dem gewünschten Einspritzwinkel und dem erforderlichen Impuls erreicht werden.
Wegen dieses kompakten Flüssigbrennstoffsprays ist bei einer solchen Zerstäuberdüse bzw. einem entsprechend ausgestatteten Vormischbrenner am Brennerkopf noch kein vollständig aufbereitetes Brenngemisch vorhanden. Daher wird ein pulsationsfreier Betrieb über einen grossen Lastbereich und auch bei unterschiedlicher Wassermenge erreicht. Zudem trifft der kompakte Flüssigbrennstoffspray nicht auf die Brennerwände auf, so dass eine Überhitzung des Vormischbrenners und der Brennkammer ebenso verhindert werden kann, wie eine Verkokung innerhalb des Vormischbrenners. Ein weiterer, auf den sich ausschliesslich innerhalb der Verbrennungsluftströmung befindlichen Flüssigbrennstoffspray zurückzuführender Vorteil ist die gute Zündung und Teillastfähigkeit ohne zusätzliche Injektionsstufe. Dadurch sind sowohl die Brennstofflanze als auch das Fahrkonzept der gesamten Brennkammer einfacher und kostengünstiger. Schliesslich ist auch die Nachrüstung bestehender Vormischbrenner mit minimalen Kosten möglich.
Besonders vorteilhaft wird ausserhalb sowie konzentrisch zum Flüssigbrennstoff ein Schirmluftstrom mit einer geringen Masse in den Innenraum des Vormischbrenners eingeführt. Dazu besteht die Brennstofflanze aus einem zentralen Flüssigbrennstoffrohr, welches koaxial von einem Luftrohr umgeben ist. Weil der flüssige Vollstrahl bei diesem Verfahren bzw. durch die entsprechenden Vorrichtung von einem Luftstrom umgeben ist, bleibt der Flüssigbrennstoffspray auch bei kleinem Massenstrom im Zentrum des Brennerinnenraums. Damit wird die Stabilität des Flüssigbrennstoffs insbesondere bei niedrigen Flüssigkeitsdurchflussraten, d.h. bei der Zündung und bei Teillast der Gasturbine verbessert, wobei sowohl eine verbesserte Zündleistung und eine höhere Teillastverbrennungsleistung erreicht werden. Bei grossen Flüssigkeitsdurchflussraten dominiert dagegen der Flüssigkeitsstrom. Ausserdem werden die Einspritzöffnung und der Bereich des Brennerkopfes durch die Luftströmung gegen Brennstoffablagerungen und folglich gegen Verkokung geschützt.
Es ist besonders zweckmässig, wenn der Schirmluftstrom mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 60 m/s und mit einer Masse von 0,1 bis 2,0 % des Gesamt-Luftmassenstroms in den Innenraum des Vormischbrenners eingedüst wird.
Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen des Standes der Technik dient dieser Schirmluftstrom nicht zur Zerstäubung des Flüssigbrennstoffs, wozu etwa 5 bis 10% des gesamten Luftmassenstroms erforderlich wären. Vielmehr wird diese kleine Menge axial eingedüster Luft zur Steuerung der Aerodynamik im Bereich nahe der Einspritzöffnung, d.h. zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse des Vormischbrenners genutzt. Die Luft verhindert einerseits das ansonsten vom Querschnittsprung stromab der Einspritzöffnung hervorgerufene Ansaugen des Flüssigkeitsstrahls an die Innenwand des Vormischbrenners und andererseits eine zu hohe lokale Drallzahl. Zudem erhöht der Luftstrom die axiale Durchdringung des aus der Flüssigbrennstoffdüse austretenden Flüssigkeits-Vollstrahls. Daher ist letzterer stabiler gegenüber dem Brennerwirbel bzw. dessen Zentrifugalkräften, was die Neigung der Brennstofftröpfchen, auf die Innenwand des Vormischbrenners aufzutreffen, weiter verringert. Bei Verwendung von Pilotgas können auch dessen Zuführschlitze/-öffnungen mittels des Schirmluftstroms vor Verkokung geschützt werden.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung wird der sich im Innenraum des Vormischbrenners, in Strömungsrichtung ausbreitende Vollstrahl von einem tangential in den Brenner einströmenden, rotierenden Verbrennungsluftstrom umschlossen. Die Zündung des sich einstellenden Verbrennungsgemisches findet im Bereich der Brennermündung statt, wobei die Flamme in diesem Bereich durch eine Rückströmzone stabilisiert wird. Dazu besteht der Vormischbrenner aus zumindest zwei hohlen, radial versetzt zueinander angeordneten Teilkegelkörpern, mit einem sich in Strömungsrichtung vergrössernden, hohlkegelförmigen Innenraum.
Der Brenner weist tangentiale Lufteintrittschlitze auf und die Flüssigbrennstoffdüse ist mit einer der Brennstoffversorgung dienenden Brennstofflanze verbunden.
Insbesondere liefert dieses Verfahren eine Form von Flüssigkeitsspray mit einem kleinen Einspritzwinkel, welcher mit dem kleinen Öffnungswinkel des Vormischbrenners optimal zusammenwirkt. Dadurch sind ideale Voraussetzungen für die Verbrennung von Flüssigbrennstoff mittels eines derart ausgebildeten Vormischbrenners geschaffen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines in der Brennkammer einer Gasturbinenanlage eingesetzten Vormischbrenners mit einer erfindungsgemässen Flüssigbrennstoffdüse dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1
einen Längsschnitt des Vormischbrenners;
Fig. 2
einen Schnitt durch den Vormischbrenner entlang der Pfeile II-II in Fig. 1;
Fig. 3
einen vergrösserten Ausschnitt der Fig. 1, im Bereich der Flüssigbrennstoffdüse
Fig. 4
die mit einer Flüssigbrennstoffdüse ausgestattete Brennstofflanze, in einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 5
einen Längsschnitt des Vormischbrenners, mit der entsprechend Fig. 4 ausgebildeten Flüssigbrennstoffdüse.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Gasturbinenanlage beispielsweise der Verdichter und die Gasturbine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die nicht dargestellte Gasturbinenanlage besteht aus einem Verdichter, einer Gasturbine und einer Brennkammer 1. In der Brennkammer 1 sind mehrere sowohl zum Betrieb mit Flüssigbrennstoff 2 als auch mit gasförmigem Brennstoff 3 geeignete und als Doppelkegelbrenner ausgebildete Vormischbrenner 4 angeordnet. Die Doppelkegelbrenner 4 bestehen jeweils aus zwei halben, hohlen Teilkegelkörpern 5, 6 mit je einer Innenwand 7, 8. Beide Innenwände 7, 8 schliessen einen sich in Strömungsrichtung vergrössernden, hohlkegelförmigen Innenraum 9 ein (Fig. 1). Die Teilkegelkörper 5, 6 besitzen jeweils eine versetzt zur anderen angeordnete Mittelachse 10, 11. Dadurch liegen sie radial versetzt zueinander, aufeinander und bilden beidseitig des Doppelkegelbrenners 4 einen tangentialen Lufteintrittschlitz 12, 13 aus, durch welchen Verbrennungsluft 14 in den Innenraum 9 einströmt (Fig. 2). Beide Teilkegelkörper 5, 6 haben je einen zylindrischen Anfangsteil 15, 16. Die Anfangsteile 15, 16 sind analog den Teilkegelkörpern 5, 6 versetzt zueinander angeordnet. In die Anfangsteile 15, 16 und in den Innenraum 9 hineinragend ist ein als zentrale Flüssigbrennstoffdüse 17 ausgebildetes Endstück einer der Brennstoffversorgung des Doppelkegelbrenners 4 dienenden Brennstofflanze 18 angeordnet (Fig. 1). Die Flüssigbrennstoffdüse 17 besitzt eine einfache, kreisrunde Einspritzöffnung 19 (Fig. 2). Diese Einspritzöffnung 19 weist einen Durchmesser d und eine Führungslänge l auf, wobei der Quotient aus der Führungslänge l und dem Durchmesser d gleich 4 ist (Fig. 3).
Natürlich kann die Einspritzöffnung 19 entsprechend den konkreten Einsatzbedingungen des Doppelkegelbrenners 4 auch eine andere geeignete Form und der genannte Quotient aus Führungslänge und Durchmesser einen Betrag bis zu 6 haben. Selbstverständlich kann der Doppelkegelbrenner 4 rein kegelig, d.h. ohne die zylindrischen Anfangsteile 15, 16 ausgebildet werden (nicht dargestellt).
Beide Teilkegelkörper weisen jeweils eine mit Öffnungen 20 versehene Brennstoffleitung 21, 22 auf, welche am Ende der tangentialen Lufteintrittschlitze 12, 13 angebracht ist. Durch die Brennstoffleitungen 21, 22 wird der gasförmige Brennstoff 3 zugeführt und über die Öffnungen 20 in die tangentialen Lufteintrittschlitze 12, 13 eingeleitet. Dort findet eine Vermischung des gasförmigen Brennstoffs 3 mit der von aussen zuströmender Verbrennungsluft 14 statt. Brennkammerseitig 1 besitzt der Doppelkegelbrenner 4 eine kragenförmige, als Verankerung für die Teilkegelkörper 5, 6 dienende Abschlussplatte 23 mit einer Anzahl Bohrungen 24 (Fig. 1). Wenn erforderlich kann der Brennkammer 1 durch diese Bohrungen 24 Kühlluft 25 zugeführt werden.
Der Doppelkegelbrenner 4 wird über die Brennstofflanze 18 mit als Flüssigbrennstoff 2 eingesetztem Brennöl versorgt. Dabei wird das Brennöl 2 durch die zentrale Einspritzöffnung 19 der Flüssigbrennstoffdüse 17 mit einem Einspritzwinkel α kleiner als 10° in den Innenraum 9 eingedüst. Aufgrund dieses engen Einspritzwinkels entsteht im Innenraum 9 des Doppelkegelbrenners 4 ein zunächst sehr kompakter Vollstrahl 26, der erst stromab öffnet und bei dem die Brennstofftröpfchen gleichmässig über den gesamten Querschnitt verteilt sind. Im Gegensatz zu dem im Stand der Technik bei Doppelkegelbrennern genutzten, hohlkegelförmigen Brennstoffspray weist ein solcher Vollstrahl 26 in seinem Zentrum jedoch ausreichend axiale Impulse auf, so dass die Brennstofftröpfchen nicht an die Innenwände 7, 8 der Teilkegelkörper 5, 6 getragen werden. Zudem kann diese Wirkung durch eine relativ hohe Eindüsgeschwindigkeit des Brennöls 2 von 20 bis 60 m/s noch verstärkt werden.
Der Vollstrahl 26 breitet sich im Innenraum 9 des Doppelkegelbrenners 4 in Strömungsrichtung gleichmässig aus und nimmt somit schliesslich eine kegelförmige Gestalt an. Dabei wird der Vollstrahl 26 von der durch die tangentialen Lufteintrittschlitze 12, 13 einströmenden, rotierenden Verbrennungsluft 14 umschlossen. Die Zündung des entstehenden Brennstoffgemisches erfolgt im Bereich der Brennermündung, wobei sich eine Flammenfront 27 ausbildet, die ihrerseits im Bereich der Brennermündung durch eine Rückströmzone 28 stabilisiert wird.
Weil die Zerstäubung des Brennöls 2 hauptsächlich von der Verbrennungsluft 14 realisiert wird, ist nicht die Eindüsgeschwindigkeit des Vollstrahls 26 sondern die Verbrennungsluft 14 entscheidend für die Zerstäubungsqualität und damit für die anschliessende Verbrennung. Auf diese Weise wird die erforderliche Flexibilität erreicht, um den Doppelkegelbrenner 4 bzw. die Brennkammer 1 bei allen Lastbedingungen, d.h. von der Zündung bis zur Vollast mit demselben Eindüsungskonzept zu betreiben.
Zudem kann natürlich über eine nicht dargestellte und mit der Brennstofflanze 18 verbundene Brennstoffpumpe auch der Impuls des Vollstrahls 26 so geregelt werden, dass die je nach dem verwendeten Vormischbrenner 4 und dem aktuellen Lastzustand der Brennkammer 1 erforderliche Eindringtiefe der Brennstofftropfen erreicht wird.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel, mit einem analog ausgebildeten Doppelkegelbrenner 4, besteht die Brennstofflanze 18 aus einem zentralen Flüssigbrennstoffrohr 29, welches koaxial von einem Luftrohr 30 umgeben ist (Fig. 4). Beim Betrieb des Doppelkegelbrenners 4 wird daher gleichzeitig mit der Eindüsung des Brennöls 2, jedoch radial ausserhalb sowie konzentrisch zum Brennöl 2, ein Schirmluftstrom 31 in den Innenraum 9 des Doppelkegelbrenners 4 eingeführt. Die Eindüsung dieses Schirmluftstroms 31 erfolgt mit einer Geschwindigkeit von ca. 30 m/s und einer Masse von 0,1 bis 2,0 % des gesamten Luftmassenstroms des Doppelkegelbrenners 4. Auf diese Weise wird ein noch kompakterer Vollstrahl 26' erzeugt, welcher erst am Brennerende aufplatzt (Fig. 5). Gleichzeitig kühlt und schützt der durch das Luftrohr 30 in den Innenraum 9 des Doppelkegelbrenners 4 gelangende Schirmluftstrom 31 das Flüssigbrennstoffrohr 29. Alle weiteren Abläufe erfolgen im wesentlichen analog dem ersten Ausführungsbeispiel.
Bezugszeichenliste
1
Brennkammer
2
Flüssigbrennstoff, Brennöl
3
gasförmiger Brennstoff
4
Vormischbrenner, Doppelkegelbrenner
5
Teilkegelkörper
6
Teilkegelkörper
7
Innenwand, von 5
8
Innenwand, von 6
9
Innenraum
10
Mittelachse
11
Mittelachse
12
Lufteintrittschlitz
13
Lufteintrittschlitz
14
Verbrennungsluft, Verbrennungsluftstrom
15
Anfangsteil, zylindrisch
16
Anfangsteil, zylindrisch
17
Flüssigbrennstoffdüse
18
Brennstofflanze
19
Einspritzöffnung
20
Öffnung
21
Brennstoffleitung
22
Brennstoffleitung
23
Abschlussplatte
24
Bohrung
25
Kühlluft
26
Vollstrahl
27
Flammenfront
28
Rückströmzone
29
Flüssigbrennstoffrohr
30
Luftrohr
31
Schirmluftstrom
26'
Vollstrahl
α
Einspritzwinkel
d
Durchmesser
I
Führungslänge

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners mit einer zentral in einen Innenraum (9) des Vormischbrenners (4) mündenden Flüssigbrennstoffdüse (17), wobei zumindest ein Flüssigbrennstoff (2) in einem Vollstrahl (26, 26'), mit einem Einspritzwinkel α von kleiner als 10° in den Innenraum (9) des Vormischbrenners (4) eingedüst wird.
  2. Verfahren.nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass radial ausserhalb sowie konzentrisch zu dem zumindest einen Flüssigbrennstoff (2), ein Schirmluftstrom (31) in den Innenraum (9) eingeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirmluftstrom (31) mit einer geringen Masse in den Innenraum (9) eingeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirmluftstrom (31) ca. 0,1 bis 2,0 % des Gesamt-Luftmassenstroms des Vormischbrenners (4) beträgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirmluftstrom (31) mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 60 m/s in den Innenraum (9) eingeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der sich im Innenraum (9) des Vormischbrenners (4) in Strömungsrichtung ausbreitende Vollstrahl (26, 26') von einem tangential in den Vormischbrenner (4) einströmenden, rotierenden Verbrennungsluftstrom (14) umschlossen wird, die Zündung des Gemisches im Bereich der Brennermündung stattfindet und die Flammenfront (27) in diesem Bereich durch eine Rückströmzone (28) stabilisiert wird.
  7. Vormischbrenner zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Flüssigbrennstoffdüse (17) eine einfache, mit einer Führungslänge (l) sowie mit einem Durchmesser (d) ausgebildete Einspritzöffnung (19) besitzt.
  8. Vormischbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzöffnung (19) ein Verhältnis Führungslänge (l) zu Durchmesser (d) von 4 ≤ l/d ≤ 6 aufweist.
  9. Vormischbrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vormischbrenner (4) aus zumindest zwei hohlen, radial versetzt zueinander angeordneten Teilkegelkörpern (5, 6), mit einem sich in Strömungsrichtung vergrössemden, hohlkegelförmigen Innenraum (9) besteht, tangentiale Lufteintrittschlitze (12, 13) aufweist und die Flüssigbrennstoffdüse (17) mit einer der Brennstoffversorgung dienenden Brennstofflanze (18) verbunden ist.
  10. Vormischbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofflanze (18) aus einem zentralen Flüssigbrennstoffrohr (29) besteht, welches koaxial von einem Luftrohr (30) umgeben ist.
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