EP1781988B1 - Hybridbrennerlanze - Google Patents

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EP1781988B1
EP1781988B1 EP05775906.0A EP05775906A EP1781988B1 EP 1781988 B1 EP1781988 B1 EP 1781988B1 EP 05775906 A EP05775906 A EP 05775906A EP 1781988 B1 EP1781988 B1 EP 1781988B1
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EP
European Patent Office
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nozzles
passage
lance
nozzle
lance according
Prior art date
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Active
Application number
EP05775906.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1781988A1 (de
Inventor
Andreas Dr. Brautsch
Daniel Burri
Hanspeter Hardegger
Bettina Dr. Paikert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1781988A1 publication Critical patent/EP1781988A1/de
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Publication of EP1781988B1 publication Critical patent/EP1781988B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • 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
    • 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
    • F23D11/10—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
    • F23D11/108—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 intersecting downstream of the burner outlet
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/36—Supply of different fuels

Definitions

  • the invention relates to a lance for a hybrid burner of a combustion chamber of a gas turbine, in particular a gas turbine for a power plant.
  • a liquid fuel for example a suitable oil
  • a gaseous fuel for example natural gas
  • a lance for injecting pre-mixed with combustion air liquid and / or gaseous fuel in a gas turbine engine for example, in the document US 5836163 described.
  • This device allows operation of the gas turbine with liquid or gaseous main fuel and liquid or gaseous pilot fuel.
  • it has a gaseous fuel feeder, a liquid fuel feeder and a compressed combustion air feeder which service the different fuel and combustion air paths.
  • this device comprises a central flow channel (46) for liquid fuel, a coaxially positioned duct (52) for supplying combustion air, another annular channel (54) for gaseous fuel surrounding the latter and terminating in an outlet (55).
  • These three inner channels primarily serve pilots.
  • this device has an annular channel (76) for liquid fuel, a secondary air channel (58), a main air channel (64) and an outer collecting channel (66), from the gaseous main fuel via spokes (68) and openings (70) introduced therein. is injected into the combustion air duct (64) and mixed with the air supplied from the compressor. The resulting mixture is fluidized in the mixing chamber (128) and then exits into the annular combustion chamber (32).
  • An air inlet plate (118) distributes and controls the mass flow of the combustion air supplied by the compressor. By adjusting the air inlet plate (118) and feeding the respective fuel channels with the intended fuel different operating modes of the combustion chamber with liquid or gaseous main fuel with or without pilot support possible.
  • the supply of the lance with the gaseous fuel usually takes place via a pipeline, in which a gas pressure predetermined by the gas supply system prevails.
  • this system pressure present in the pipeline is too low to be able to inject the gaseous fuel with sufficient pressure difference through the lance into the combustion chamber.
  • the installation of such an additional compressor increases the installation cost of the combustion chamber or the equipped gas turbine.
  • the additional compressor for its operation requires energy, which reduces the efficiency of the power plant in a preferred application of the gas turbine in a power plant for power generation.
  • the invention aims to remedy this situation.
  • the invention as characterized in the claims, deals with the problem of providing a lance of the type mentioned an improved embodiment, which in particular allows operation of the hybrid burner equipped with a comparatively low pressure in the gaseous fuel, but a ensures certain pressure difference to the gas path, so that the flame front can not migrate into the gas path opposite to the gas flow direction.
  • the invention is based on the general idea of reducing aerodynamic improvements in the gas path of the lance whose flow resistance, thereby reducing the pressure drop occurring in the flow through the lance. As a result, it can lower the pressure required in the gaseous fuel upstream of the lance.
  • the aim is to lower the flow resistance in the gas path of the lance as far as possible so that the remaining pressure drop already a proper operation of the burner with the system pressure prevailing in the pipeline allows. This means that it is then possible to dispense with an additional compressor upstream of the lance.
  • the flow resistance in the gas path of the lance is significantly reduced in particular because, in the case of a distributor section which is arranged upstream of the outer nozzles in the outer channel and which has a plurality of star-shaped, axially extending passage openings for the gaseous fuel, the passage openings are dimensioned in that these each have a larger opening width in the circumferential direction than in the radial direction.
  • the flow-through cross-section in the manifold section is considerably increased, which reduces its flow resistance accordingly.
  • the invention utilizes the knowledge that a particularly serious pressure drop arises during the flow through the distributor section within the lance, so that there is a particularly great potential for the reduction of the flow resistance.
  • the outer channel may be limited axially in the region of the outer nozzles by an outer end wall, whereby the outer channel is axially closed.
  • an axial recess is then formed in the outer end wall on a side remote from the distributor section.
  • a further reduction of the pressure drop in the gas path of the lance can be realized in another embodiment in that with each outer nozzle, a transition from the outer channel to an outer nozzle channel formed in the interior of the respective outer nozzle is provided with an inlet zone tapering in the direction of flow. Such an inlet zone reduces the flow resistance during the deflection of the gas flow, which also reduces the total resistance of the lance.
  • Corresponding Fig. 1 includes a here only partially indicated combustion chamber 1, at least one hybrid burner 2, which is equipped with a lance 3.
  • the combustion chamber 1 is preferably a component of a gas turbine, not shown here, in particular for generating electricity within a power plant.
  • the hybrid burner 2 may burn both gaseous fuels, such as natural gas, and liquid fuels, such as a suitable oil.
  • the lance 3 is connected on the one hand to a liquid fuel supply line 4 and on the other hand to a gas fuel supply line 5.
  • a pump 6 is usually arranged in order to be able to supply the liquid fuel with the required supply pressure.
  • the gas fuel supply line 5 is connected substantially directly to a pipeline, not shown here, which provides the gaseous fuel at a comparatively low pipeline pressure. Due to the inventive design of the lance 3, it is possible to dispense with a compressor in the gas fuel supply line 5 upstream of the lance 3.
  • the burner 2 compressed air is supplied according to an arrow 7 from a compressor, not shown.
  • the lance 3 is introduced with respect to the flow direction of the air 7 substantially radially to the burner 2 and has a projecting into the burner 2, substantially rectangular angled lance head 8.
  • the lance head 8 is thus with respect to its longitudinal central axis 9 parallel to the main flow direction of the supplied air. 7 oriented.
  • the lance head 8 is configured such that it injects the liquid and / or gaseous fuel radially into the burner 2 with respect to its longitudinal central axis 9, that is, with respect to the main flow direction of the air 7 prevailing in the burner 2.
  • Fig. 2 and 3 contains the lance 3 in its head 8 an inner channel 10 for liquid fuel and an outer channel 11 for gaseous fuel.
  • the two channels 10, 11 are arranged coaxially with each other, so that the outer channel 11 surrounds the inner channel 10. Accordingly, the outer channel 11 has an annular cross section, while the inner channel 10 has a full cross section.
  • Inner channel 10 and outer channel 11 are separated by an inner tube 16 and enclosed by a coaxially arranged outer tube 17.
  • the lance 3 is equipped at its head 8 with a plurality of outer nozzles 12, which are arranged in a star shape with respect to the longitudinal central axis 9 and extend radially from the outer channel 11.
  • the outer nozzles 12 each contain an outer nozzle channel 13 which extends radially from the outer channel 11 and communicates with this. Accordingly, the gaseous fuel can be injected into the burner 2 via the outer nozzles 12.
  • the lance 3 is also equipped at its head 8 with internal nozzles 14, which are also arranged in a star shape with respect to the longitudinal central axis 9 and thereby depart radially from the inner channel 10.
  • an inner nozzle 14 is arranged coaxially within an outer nozzle 12, wherein inner nozzles 14 and outer nozzles 12 radially outwardly each ends approximately flush.
  • Each inner nozzle 14 includes an inner nozzle channel 15 which communicates with the inner channel 10. Accordingly, the liquid fuel can be injected into the burner 2 via the inner nozzles 15.
  • the coaxial arrangement of the nozzles 12, 14 results in an annular cross section for the outer nozzle channel 13, while the inner nozzle channel 15 has a full cross section.
  • a distributor section 18 is arranged upstream of the outer nozzles 12, which in Fig. 2 characterized by a curly bracket.
  • the distributor section 18 forms an annularly closed axial section of the lance 3 or of the lance head 8 and may in particular be formed in one piece on the outer tube 17.
  • the distributor section 18 is thus arranged in the flow-through cross section of the outer channel 11.
  • the distributor section 18 is provided with a plurality of star-shaped passage openings 19 which extend axially through the distributor section 18.
  • Such a distributor section 18 is required in order to avoid a damage event in which the lance head 8 z. B. has become leaky due to overheating, to ensure a certain pressure difference to the gas path, so that the flame front can not migrate into the gas path against the gas flow direction and thus not too much fuel can flow uncontrollably into the burner 2.
  • the passage openings 19 are each designed such that they have a larger opening width in the circumferential direction than in the radial direction.
  • the circumferential opening width oriented in the circumferential direction is marked by an arrow 20, while the radially-oriented radial opening width is indicated by an arrow 21.
  • the circumferential opening width 20 is more than twice as large as the radial opening width 21.
  • the circumferential opening width 20 is approximately three to five times larger, preferably approximately four times larger than the radial opening 21.
  • the passage openings 19 extend in the circumferential direction in each case along a circular arc segment, as a result of which a particularly large flow-through cross section for the respective passage openings 19 can be achieved.
  • a particularly large flow-through cross section for the respective passage openings 19 can be achieved.
  • other cross-sectional geometries may also be used, for example elliptical cross sections.
  • the individual passage openings 19 are separated from one another in the circumferential direction by webs 22.
  • the webs 22 extend radially and axially with respect to the longitudinal central axis 9. Compared to the through holes 19, these webs 22 have only a comparatively small cross section.
  • the circumferential opening width 20 of the through openings 19 is at least three times greater than a wall thickness 23 of the webs 22 measured in the circumferential direction.
  • the webs 22 are dimensioned such that the circumferential opening width 20 of the through openings 19 is approximately four to eight times greater than the wall thickness 23 Footbridges 22.
  • the outer channel 11 is axially closed by an outer end wall 24 in the region of the outer nozzle 12. Since the outer nozzles 12 and the outer nozzle channels 13th With respect to the outer channel 11 are radially oriented, it comes at a transition 25 between the outer channel 11 and outer nozzle channel 13 to a relatively strong flow deflection, which in Fig. 4 is shown by arrows.
  • an axial recess 26 can be recessed in the outer end wall 24 in each outer nozzle 12 at a side facing away from the distributor section 18, according to an advantageous embodiment. This depression 26 makes it easier for the gas flow in the inner channel 11 to flow around the respective inner nozzle 14.
  • the depressions 26 can - as here in Fig. 4 shown - be provided separately for each outer nozzle 12, in which case an embodiment is preferred in which the recess 26 is configured with respect to a longitudinal central axis 27 of the nozzles 12, 14 circular arc segment-shaped. As a result, so-called "dead water areas" can be reduced and the flow resistance can be lowered.
  • Particularly favorable values for the pressure drop at the transition 25 can be achieved if the dimensioning of the recess 26 is matched to the dimension of the outer nozzle channel 13 in a special way.
  • Cheap is for example, an embodiment in which a relative to the longitudinal central axis 27 of the outer nozzle 12 measured radial depth 28 is about twice or at least twice greater than a radial distance 29 between an unspecified inner wall of the outer nozzle 12 and an unspecified outer wall of the inner nozzle 14 arranged therein ,
  • the transition 25 Another measure for reducing the pressure loss within the lance 3 is seen in an aerodynamic optimization of the transition 25.
  • the transition 25 according to Fig. 4 be equipped with an inlet zone 30, which tapers in the flow direction.
  • the taper of the inlet zone 30 can be achieved by a simple chamfering. It is also possible to design the rejuvenation rounded.
  • a divider 31 is suitably arranged in the inner channel 10 in the region of the inner nozzles 14.
  • the divider 31 includes a core 32 that extends concentrically within the inner channel 10.
  • dividing walls 33 are formed, which extend radially and axially and thereby protrude from the core 32 in a star shape, such that they touch the inner tube 16.
  • the core 32 and the partition walls 33 are designed swept in the direction of flow to the longitudinal central axis 9. With the help of such a divider 31, the deflection of the liquid flow in the inner channel 10 can be improved on the inner nozzle 14.
  • a distance 34 between the core 32 and the inner tube 16 is at least twice greater than a core diameter 35.
  • the inner tube 16 in the region of the divider 31 is not or only slightly widened in order to ensure the most constant flow cross-section up to the inner nozzle 14 can.
  • the outer channel 16 may have a larger flow cross-section in the region of the outer nozzles 12, so that even in the outer channel 11 to the outer nozzles 12 as constant a flow cross-section can be achieved.
  • this measure ultimately leads to a reduction of the flow resistance in the gas path of the lance.
  • a transition 37 from the core 32 to the inner end wall 36 may now be configured kehlförmig.
  • an axial length 38 is preferred, which is about the same size as or may be smaller than an opening cross section 39 of the inner channel 10 in the region of the inner nozzle 14. This relatively short divider 31 in turn allows expansion in the outer channel 11 and leads there to a reduced flow resistance.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Lanze für einen Hybridbrenner einer Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere einer Gasturbine für eine Kraftwerksanlage.
    • Stand der Technik
  • Mit Hilfe einer derartigen Lanze können in einen Hybridbrenner ein flüssiger Brennstoff, zum Beispiel ein geeignetes Öl, und ein gasförmiger Brennstoff, zum Beispiel Erdgas, alternativ oder kumulativ eingedüst werden. Eine solche Lanze zum Einspritzen von mit Verbrennungsluft vorgemischtem flüssigem und/oder gasförmigem Brennstoff in ein Gasturbinentriebwerk ist beispielsweise in der Druckschrift US 5836163 beschrieben. Diese Vorrichtung gestattet einen Betrieb der Gasturbine mit flüssigem oder gasförmigem Hauptbrennstoff und flüssigem oder gasförmigem Pilotbrennstoff. Zu diesem Zwecke besitzt sie eine Zuführeinrichtung für gasförmigen Brennstoff, einer Zuführeinrichtung für flüssigen Brennstoff und eine Zuführeinrichtung für komprimierte Verbrennungsluft, die die unterschiedlichen Brennstoff- und Verbrennungsluftpfade bedienen. So umfasst diese Vorrichtung einen zentralen Strömungskanal (46) für flüssigen Brennstoff, einen koaxial dazu positionierten Kanal (52) zur Zuführung von Verbrennungsluft, einen weiteren ringförmigen Kanal (54) für gasförmigen Brennstoff, welcher letzteren umgibt und in einem Auslass (55) endet. Diese drei inneren Kanäle erfüllen vorrangig Pilotzwecke. Darüber hinaus besitzt diese Vorrichtung einen ringförmigen Kanal (76) für flüssigen Brennstoff, einen Sekundärluftkanal (58), einen Hauptluftkanal (64) sowie einen äußeren Sammelkanal (66), aus dem gasförmiger Hauptbrennstoff über Speichen (68) und darin eingebrachte Öffnungen (70) in den Verbrennungsluftkanal (64) eingedüst und mit der vom Kompressor zugeführten Luft vermischt wird. Das entstehende Gemisch wird in der Mischkammer (128) verwirbelt und tritt anschließend in die Ringbrennkammer (32) aus.
    Eine Lufteinlassplatte (118) verteilt und steuert den Massenstrom der vom Kompressor zugeführten Verbrennungsluft.
    Mittels Verstellung der Lufteinlassplatte (118) und Beschickung der jeweiligen Brennstoffkanäle mit dem vorgesehenen Brennstoff sind unterschiedliche Betriebsmodi der Brennkammer mit flüssigem oder gasförmigem Hauptbrennstoff mit oder ohne Pilotunterstützung möglich.
  • Bei stationären Gasturbinenanlagen erfolgt üblicherweise die Versorgung der Lanze mit dem gasförmigen Brennstoff über eine Pipeline, in der ein vom Gasversorgungssystem vorgegebener Gasdruck herrscht. Bei einer Vielzahl von Anwendungen, z.B. bei einer Brennkammer mit Niederdruckbrenner und nachgeordnetem Hochdruckbrenner, ist dieser in der Pipeline vorhandene Systemdruck jedoch zu niedrig, um den gasförmigen Brennstoff mit hinreichender Druckdifferenz durch die Lanze in die Brennkammer eindüsen zu können. Dementsprechend ist es üblich, stromauf der Lanze einen zusätzlichen Verdichter anzuordnen, um den gasförmigen Brennstoff auf das erforderliche Druckniveau anzuheben. Der Einbau eines derartigen zusätzlichen Verdichters erhöht jedoch die Installationskosten der Brennkammer beziehungsweise der damit ausgestatteten Gasturbine. Darüber hinaus benötigt der zusätzliche Verdichter für seinen Betrieb Energie, die bei einer bevorzugten Anwendung der Gasturbine in einer Kraftwerksanlage zur Stromerzeugung den Wirkungsgrad der Kraftwerksanlage reduziert.
    • Darstellung der Erfindung
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Lanze der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere einen Betrieb des damit ausgestatteten Hybridbrenners bei einem vergleichsweise niedrigen Druck im gasförmigen Brennstoff ermöglicht, dabei aber eine gewisse Druckdifferenz zum Gaspfad gewährleistet, damit die Flammenfront nicht in den Gaspfad entgegen der Gasströmungsrichtung hineinwandern kann.
  • Dieses Problem wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, durch aerodynamische Verbesserungen im Gaspfad der Lanze deren Durchströmungswiderstand zu reduzieren, um dadurch den bei der Durchströmung der Lanze auftretenden Druckabfall zu verringern. Im Ergebnis kann dadurch der stromauf der Lanze erforderliche Druck im gasförmigen Brennstoff abgesenkt werden. Ziel ist es dabei, den Durchströmungswiderstand im Gaspfad der Lanze möglichst so weit abzusenken, dass der verbleibende Druckabfall einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brenners bereits mit dem in der Pipeline herrschenden Systemdruck ermöglicht. Das bedeutet, dass dann auf einen zusätzlichen Verdichter stromauf der Lanze verzichtet werden kann.
  • Bei der Erfindung wird der Strömungswiderstand im Gaspfad der Lanze insbesondere dadurch deutlich reduziert, dass bei einem Verteilerabschnitt, der stromauf der Außendüsen im Außenkanal angeordnet ist, und der mehrere sternförmig angeordnete, sich axial erstreckende Durchgangsöffnungen für den gasförmigen Brennstoff aufweist, die Durchgangsöffnungen so dimensioniert sind, dass diese jeweils in Umfangsrichtung eine größere Öffnungsweite aufweisen als in Radialrichtung. Durch diese Bauweise wird der durchströmbare Querschnitt im Verteilerabschnitt erheblich vergrößert, was dessen Durchströmungswiderstand entsprechend reduziert. Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, dass bei der Durchströmung des Verteilerabschnitts innerhalb der Lanze ein besonders gravierender Druckabfall entsteht, so dass dort ein besonders großes Potential für die Reduzierung des Durchströmungswiderstands liegt.
  • Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Außenkanal im Bereich der Außendüsen axial durch eine äußere Stirnwand begrenzt sein, wodurch der Außenkanal axial verschlossen ist. Bei jeder Außendüse ist dann an einer vom Verteilerabschnitt abgewandten Seite in der äußeren Stirnwand eine axiale Vertiefung ausgebildet. Mit Hilfe einer derartigen Vertiefung können die sich koaxial innerhalb der Außendüsen erstreckenden Innendüsen erheblich besser umströmt werden, was das Einströmen des gasförmigen Brennstoffs vom Außenrohr in die Außendüsen, insbesondere an deren vom Verteilerabschnitt abgewandten Seite, erheblich vereinfacht. Dementsprechend wird auch im Bereich des Übergangs zwischen Außenrohr und Außendüsen der Strömungswiderstand deutlich reduziert. Gleichzeitig kann bei einer derartigen Ausführungsform die Homogenität der Durchströmung der Außendüsen und somit die Qualität der Eindüsung des gasförmigen Brennstoffs verbessert werden.
  • Eine weitere Reduzierung des Druckabfalls im Gaspfad der Lanze kann bei einer anderen Ausführungsform dadurch realisiert werden, dass bei jeder Außendüse ein Übergang vom Außenkanal zu einem im Inneren der jeweiligen Außendüse ausgebildeten Außendüsenkanal mit einer sich in Strömungsrichtung verjüngenden Einlaufzone versehen ist. Eine derartige Einlaufzone reduziert den Strömungswiderstand bei der Umlenkung der Gasströmung, was den Gesamtwiderstand der Lanze ebenfalls senkt.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lanze ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
    • Fig. 1
    eine vereinfachte Prinzipdarstellung einer Lanze nach der Erfindung im Einbauzustand,
    Fig. 2
    eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht auf einen Kopf der Lanze,
    Fig. 3
    eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht auf den Lanzenkopf gemäß Fig. 2 entsprechend einer in Fig. 2 mit III gekennzeichneten anderen Blickrichtung,
    Fig. 4
    einen halben Längsschnitt des Lanzenkopfs in einem Düsenbereich.
  • Entsprechend Fig. 1 umfasst eine hier nur teilweise angedeutete Brennkammer 1 zumindest einen Hybridbrenner 2, der mit einer Lanze 3 ausgestattet ist. Die Brennkammer 1 ist vorzugsweise ein Bestandteil einer hier nicht dargestellten Gasturbine, insbesondere zur Stromerzeugung innerhalb einer Kraftwerksanlage.
  • Der Hybridbrenner 2 kann sowohl gasförmige Brennstoffe, wie zum Beispiel Erdgas, als auch flüssige Brennstoffe, wie zum Beispiel ein geeignetes Öl, verbrennen. Dementsprechend ist die Lanze 3 einerseits an eine Flüssigbrennstoffversorgungsleitung 4 und andererseits an eine Gasbrennstoffversorgungsleitung 5 angeschlossen. In der Flüssigbrennstoffversorgungsleitung 4 ist üblicherweise eine Pumpe 6 angeordnet, um den Flüssigbrennstoff mit dem erforderlichen Versorgungsdruck beaufschlagen zu können. Im Unterschied dazu ist die Gasbrennstoffversorgungsleitung 5 im wesentlichen direkt an eine hier nicht dargestellte Pipeline angeschlossen, die den gasförmigen Brennstoff unter einem vergleichsweise niedrigen Pipelinedruck bereitstellt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Lanze 3 ist es möglich, auf einen Verdichter in der Gasbrennstoffversorgungsleitung 5 stromauf der Lanze 3 zu verzichten.
  • Dem Brenner 2 wird verdichtete Luft entsprechend einem Pfeil 7 von einem nicht gezeigten Verdichter zugeführt. Die Lanze 3 ist bezüglich der Strömungsrichtung der Luft 7 im wesentlichen radial an den Brenner 2 herangeführt und besitzt einen in den Brenner 2 hineinragenden, im wesentlichen rechtwinklig abgewinkelten Lanzenkopf 8. Der Lanzenkopf 8 ist somit bezüglich seiner Längsmittelachse 9 parallel zur Hauptströmungsrichtung der zugeführten Luft 7 orientiert. Der Lanzenkopf 8 ist so ausgestaltet, dass er den flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff bezüglich seiner Längsmittelachse 9, also bezüglich der in dem Brenner 2 vorherrschenden Hauptströmungsrichtung der Luft 7 radial in den Brenner 2 eindüst.
  • Die nachfolgenden Erläuterungen betreffen insbesondere den Lanzenkopf 8.
  • Entsprechend den Fig. 2 und 3 enthält die Lanze 3 in ihrem Kopf 8 einen Innenkanal 10 für flüssigen Brennstoff sowie einen Außenkanal 11 für gasförmigen Brennstoff. Die beiden Kanäle 10, 11 sind koaxial zueinander angeordnet, so dass der Außenkanal 11 den Innenkanal 10 umschließt. Dementsprechend weist der Außenkanal 11 einen ringförmigen Querschnitt auf, während der Innenkanal 10 einen vollen Querschnitt besitzt. Innenkanal 10 und Außenkanal 11 sind durch ein Innenrohr 16 voneinander getrennt und von einem koaxial dazu angeordneten Außenrohr 17 umschlossen.
  • Zur Eindüsung des gasförmigen Brennstoffs ist die Lanze 3 an ihrem Kopf 8 mit mehreren Außendüsen 12 ausgestattet, die bezüglich der Längsmittelachse 9 sternförmig angeordnet sind und radial vom Außenkanal 11 ausgehen. Die Außendüsen 12 enthalten jeweils einen Außendüsenkanal 13, der radial vom Außenkanal 11 abgeht und mit diesem kommuniziert. Dementsprechend kann über die Außendüsen 12 der gasförmige Brennstoff in den Brenner 2 eingedüst werden.
  • In entsprechender Weise ist die Lanze 3 an ihrem Kopf 8 außerdem mit Innendüsen 14 ausgestattet, die bezüglich der Längsmittelachse 9 ebenfalls sternförmig angeordnet sind und dabei radial vom Innenkanal 10 abgehen. Dabei ist jeweils eine Innendüse 14 koaxial innerhalb einer Außendüse 12 angeordnet, wobei Innendüsen 14 und Außendüsen 12 radial außen jeweils etwa bündig enden. Jede Innendüse 14 enthält einen Innendüsenkanal 15, der mit dem Innenkanal 10 kommuniziert. Dementsprechend kann über die Innendüsen 15 der flüssige Brennstoff in den Brenner 2 eingedüst werden.
  • Durch die koaxiale Anordnung der Düsen 12, 14 ergibt sich für den Außendüsenkanal 13 ein ringförmiger Querschnitt, während der Innendüsenkanal 15 einen vollen Querschnitt aufweist.
  • Im Außenkanal 11 ist stromauf der Außendüsen 12 ein Verteilerabschnitt 18 angeordnet, der in Fig. 2 durch eine geschweifte Klammer gekennzeichnet ist. Der Verteilerabschnitt 18 bildet einen ringförmig geschlossenen Axialabschnitt der Lanze 3 beziehungsweise des Lanzenkopfs 8 und kann insbesondere einstückig am Außenrohr 17 ausgebildet sein. Der Verteilerabschnitt 18 ist somit im durchströmbaren Querschnitt des Außenkanals 11 angeordnet. Damit der gasförmige Brennstoff dennoch zu den Außendüsen 12 gelangen kann, ist der Verteilerabschnitt 18 mit mehreren, sternförmig angeordneten Durchgangsöffnungen 19 ausgestattet, die sich axial durch den Verteilerabschnitt 18 hindurch erstrecken. Ein derartiger Verteilerabschnitt 18 wird benötigt, um bei einem Schadensfall, bei dem der Lanzenkopf 8 z. B. durch Überhitzung undicht geworden ist, eine gewisse Druckdifferenz zum Gaspfad gewährleisten zu können, damit die Flammenfront nicht in den Gaspfad entgegen der Gasströmungsrichtung hineinwandern kann bzw. damit nicht zuviel Brennstoff unkontrolliert in den Brenner 2 einströmen kann.
  • Damit der Verteilerabschnitt 18 für den gasförmigen Brennstoff einen möglichst geringen Durchströmungswiderstand besitzt, sind die Durchgangsöffnungen 19 jeweils so gestaltet, dass sie in Umfangsrichtung eine größere Öffnungsweite besitzen als in Radialrichtung. In Fig. 3 ist die in der Umfangsrichtung orientierte Umfangsöffnungsweite durch einen Pfeil 20 markiert, während die in Radialrichtung orientierte Radialöffnungsweite durch einen Pfeil 21 angedeutet ist. Es ist klar erkennbar, dass die Umfangsöffnungsweite 20 mehr als doppelt so groß gewählt ist wie die Radialöffnungsweite 21. Insbesondere ist die Umfangsöffnungsweite 20 etwa drei- bis fünfmal größer, vorzugsweise etwa viermal größer, als die Radialöffnungsweite 21. Durch die gewählte Dimensionierung der Durchgangsöffnungen 19 ergibt sich für diese ein vergleichsweise niedriger Durchströmungswiderstand, so dass der bei der Durchströmung des Verteilerabschnitts 18 auftretende Druckabfall entsprechend gering ist. In der Folge ergibt sich auch für die Lanze 3 ein vergleichsweise geringer Strömungswiderstand.
  • Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Durchgangsöffnungen 19 in Umfangsrichtung jeweils entlang eines Kreisbogensegments, wodurch sich ein besonders großer durchströmbarer Querschnitt für die jeweiligen Durchgangsöffnungen 19 erzielen lässt. Grundsätzlich können auch andere Querschnittsgeometrien zur Anwendung kommen, beispielsweise elliptische Querschnitte.
  • Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind bei der hier gezeigten Ausführungsform vier Durchgangsöffnungen 19 vorgesehen. Die einzelnen Durchgangsöffnungen 19 sind in Umfangsrichtung durch Stege 22 voneinander getrennt. Die Stege 22 erstrecken sich dabei bezüglich der Längsmittelachse 9 radial und axial. Im Vergleich zu den Durchgangsöffnungen 19 besitzen diese Stege 22 nur einen vergleichsweise kleinen Querschnitt. Vorzugsweise ist die Umfangsöffnungsweite 20 der Durchgangsöffnungen 19 jeweils mindestens dreimal größer als eine in Umfangsrichtung gemessene Wandstärke 23 der Stege 22. Insbesondere sind die Stege 22 so dimensioniert, dass die Umfangsöffnungsweite 20 der Durchgangsöffnungen 19 etwa vier- bis achtmal größer ist als die Wandstärke 23 der Stege 22.
  • Bezugnehmend auf Fig. 4 ist besonders deutlich erkennbar, dass der Außenkanal 11 im Bereich der Außendüsen 12 durch eine äußere Stirnwand 24 axial verschlossen ist. Da die Außendüsen 12 bzw. die Außendüsenkanäle 13 bezüglich des Außenkanals 11 radial orientiert sind, kommt es bei einem Übergang 25 zwischen Außenkanal 11 und Außendüsenkanal 13 zu einer relativ starken Strömungsumlenkung, was in Fig. 4 durch Pfeile dargestellt ist. Um den mit der Strömungsumlenkung einhergehenden Druckabfall zu reduzieren, kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung bei jeder Außendüse 12 an einer vom Verteilerabschnitt 18 abgewandten Seite eine axiale Vertiefung 26 in der äußeren Stirnwand 24 ausgespart sein. Diese Vertiefung 26 erleichtert es der Gasströmung im Innenkanal 11 die jeweilige Innendüse 14 zu umströmen. Hierdurch kann die Umlenkung der Gasströmung an der vom Verteilerabschnitt 18 abgewandten Seite mit der Außendüse 12 verbessert werden. Dies führt zu einer Vergleichmäßigung der Druckverteilung innerhalb des Übergangs 25, mit der Folge, dass zum einen der Strömungswiderstand im Bereich des Übergangs 25 reduziert und zum anderen die Homogenität der Strömungsverteilung innerhalb des Außendüsenkanals 13 verbessert wird.
  • Die Vertiefungen 26 können - wie hier in Fig. 4 dargestellt - für jede Außendüse 12 separat vorgesehen sein, wobei dann eine Ausgestaltung bevorzugt wird, bei welcher die Vertiefung 26 bezüglich einer Längsmittelachse 27 der Düsen 12, 14 kreisbogensegmentförmig ausgestaltet ist. Hierdurch können sogenannte "Totwassergebiete" reduziert und der Strömungswiderstand abgesenkt werden. Alternativ ist es grundsätzlich auch möglich, für alle Außendüsen 12 eine gemeinsame Vertiefung 26 vorzusehen. Eine derartige gemeinsame Vertiefung 26 bildet dann in der äußeren Stirnwand 24 eine in Umfangsrichtung geschlossen umlaufende Ringnut. Eine derartige Ausführungsform lässt sich besonders einfach herstellen.
  • Besonders günstige Werte für den Druckabfall am Übergang 25 können erreicht werden, wenn die Dimensionierung der Vertiefung 26 auf die Dimension des Außendüsenkanals 13 in besonderer Weise abgestimmt ist. Günstig ist beispielsweise eine Ausführungsform, bei welcher eine bezüglich der Längsmittelachse 27 der Außendüse 12 gemessene radiale Tiefe 28 etwa zweimal oder zumindest zweimal größer ist als ein radialer Abstand 29 zwischen einer nicht näher bezeichneten Innenwand der Außendüse 12 und einer nicht näher bezeichneten Außenwand der darin angeordneten Innendüse 14.
  • Eine weitere Maßnahme zur Absenkung des Druckverlusts innerhalb der Lanze 3 wird in einer aerodynamischen Optimierung des Übergangs 25 gesehen. Zu diesem Zweck kann der Übergang 25 gemäß Fig. 4 mit einer Einlaufzone 30 ausgestattet sein, die sich in der Strömungsrichtung verjüngt. Hierdurch wird der Strömungswiderstand beim Übergang vom Außenkanal 11 in den jeweiligen Außendüsenkanal 13 reduziert. Die Verjüngung der Einlaufzone 30 kann durch eine einfache Anfasung erzielt werden. Ebenfalls ist es möglich, die Verjüngung abgerundet auszugestalten.
  • Wie den Fig. 2 bis 4 entnehmbar ist, ist im Innenkanal 10 im Bereich der Innendüsen 14 zweckmäßig ein Teiler 31 angeordnet. Der Teiler 31 umfasst einen Kern 32, der sich konzentrisch innerhalb des Innenkanals 10 erstreckt. An diesem Kern 32 sind Trennwände 33 ausgebildet, die sich radial und axial erstrecken und dabei vom Kern 32 sternförmig abstehen, derart, dass sie das Innenrohr 16 berühren. Vorteilhaft sind dabei der Kern 32 und die Trennwände 33 in Anströmrichtung zur Längsmittelachse 9 hin gepfeilt ausgestaltet. Mit Hilfe eines derartigen Teilers 31 kann die Umlenkung der Flüssigkeitsströmung im Innenkanal 10 auf die Innendüsen 14 verbessert werden.
  • Besonders vorteilhaft ist nun eine in den Fig. 2 und 3 dargestellte Ausführungsform, bei welcher ein Abstand 34 zwischen dem Kern 32 und dem Innenrohr 16 zumindest zweimal größer ist als ein Kerndurchmesser 35. Bei einer derartigen Bauweise muss das Innenrohr 16 im Bereich des Teilers 31 nicht oder nur geringfügig aufgeweitet werden, um einen möglichst konstanten Strömungsquerschnitt bis zu den Innendüsen 14 gewährleisten zu können. Dies hat zur Folge, dass der Außenkanal 16 im Bereich der Außendüsen 12 einen größeren Durchströmungsquerschnitt aufweisen kann, so dass auch im Außenkanal 11 bis zu den Außendüsen 12 ein möglichst konstanter Strömungsquerschnitt erreicht werden kann. Somit führt auch diese Maßnahme letztlich zu einer Absenkung des Strömungswiderstands im Gaspfad der Lanze 3.
  • Den Fig. 2 und 3 ist außerdem eine weitere Besonderheit entnehmbar, da dort der Kern 32 von einer inneren Stirnwand 36 axial absteht, welche den Innenkanal 10 im Bereich der Innendüsen 14 axial verschließt. Um die Umlenkung zu den Innendüsen 14 zu verbessern, kann nun ein Übergang 37 vom Kern 32 zur inneren Stirnwand 36 kehlförmig ausgestaltet sein. In der Folge ist es möglich, den Teiler 31 axial kürzer zu bauen. Für den Kern 32 wird beispielsweise eine axiale Länge 38 bevorzugt, die etwa gleich groß ist wie oder sogar kleiner sein kann als ein Öffnungsquerschnitt 39 des Innenkanals 10 im Bereich der Innendüsen 14. Dieser relativ kurze Teiler 31 ermöglicht wiederum eine Aufweitung im Außenkanal 11 und führt dort zu einem reduzierten Strömungswiderstand.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkammer
    2
    Hybridbrenner
    3
    Lanze
    4
    Flüssigbrennstoffversorgungsleitung
    5
    Gasbrennstoffversorgungsleitung
    6
    Pumpe
    7
    Luft
    8
    Lanzenkopf
    9
    Längsmittelachse von 8
    10
    Innenkanal
    11
    Außenkanal
    12
    Außendüse
    13
    Außendüsenkanal
    14
    Innendüse
    15
    Innendüsenkanal
    16
    Innenrohr
    17
    Außenrohr
    18
    Verteilerabschnitt
    19
    Durchgangsöffnung
    20
    Umfangsöffnungsweite
    21
    Radialöffnungsweite
    22
    Steg
    23
    Stegwandstärke
    24
    äußere Stirnwand
    25
    Übergang
    26
    Vertiefung
    27
    Längsmittelachse von 12 und 14
    28
    Tiefe von 26
    29
    Abstand zwischen 12 und 14
    30
    Einlaufzone
    31
    Teiler
    32
    Kern
    33
    Trennwand
    34
    Abstand zwischen 32 und 16
    35
    Kerndurchmesser
    36
    innere Stirnwand
    37
    kehlförmiger Übergang
    38
    Kernlänge
    39
    Innenkanaldurchmesser

Claims (12)

  1. Lanze für einen Hybridbrenner (2) einer Brennkammer (1) einer Gasturbine,
    - mit einem zentralen Innenkanal (10) für einen flüssigen Brennstoff,
    - mit einem den Innenkanal (10) koaxial umschließenden Außenkanal (11) für einen gasförmigen Brennstoff,
    - mit mehreren, sternförmig angeordneten, radial vom Außenkanal (11) abgehenden Außendüsen (12),
    - mit mehreren, radial von dem Innenkanal (10) abgehenden Innendüsen (14), die sich jeweils koaxial innerhalb einer der Außendüsen (12) erstrecken,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Außenkanal (11) und stromauf der Außendüsen (12)ein Verteilerabschnitt (18)
    angeordnet ist, der mehrere sternförmig angeordnete, sich koaxial erstreckende Durchgangsöffnungen (19) für den gasförmigen Brennstoff aufweist, die jeweils in Umfangsrichtung eine größere Öffnungsweite aufweisen als in Radialrichtung.
  2. Lanze nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sich die Durchgangsöffnungen (19) jeweils in Umfangsrichtung entlang eines Kreisbogensegments erstrecken.
  3. Lanze nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Durchgangsöffnungen (19) in Umfangsrichtung durch sich radial und axial erstreckende Stege (22) begrenzt sind, und die Offnungsweite (20) der Durchgangsöffnungen (19) in Umfangsrichtung mindestens drei- oder etwa vierbis achtmal größer ist als eine Wandstärke (23) der Stege (22) in Umfangsrichtung.
  4. Lanze nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Außenkanal (11) im Bereich der Außendüsen (12) durch eine äußere Stirnwand (24) axial verschlossen ist, und
    dass bei jeder Außendüse (12) an einer vom Verteilerabschnitt (18) abgewandten Seite in der äußeren Stirnwand (24) eine axiale Vertiefung (26) ausgebildet ist.
  5. Lanze nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass für jede Außendüse (12) eine separate Vertiefung (26) vorgesehen ist.
  6. Lanze nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vertiefung (26) koaxial zur Außendüse (12) kreisbogensegmentförmig ausgestaltet ist.
  7. Lanze nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass für alle Außendüsen (12) eine gemeinsame Vertiefung (26) vorgesehen ist, die sich in Umfangsrichtung geschlossen ringförmig erstreckt.
  8. Lanze nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vertiefung (26) bezüglich einer Längsmittelachse (27) der jeweiligen Außendüse (12) eine radiale Tiefe (28) aufweist, die mindestens zweimal größer ist als ein radialer Abstand (29) zwischen einer Innenwand der Außendüse (12) und einer Außenwand der darin angeordneten Innendüse (14).
  9. Lanze nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass bei jeder Außendüse (12) ein Übergang (25) vom Außenkanal (11) zu einem im Inneren der jeweiligen Außendüse (12) ausgebildeten Außendüsenkanal (13) mit einer sich in Strömungsrichtung verjüngenden Einlaufzone (30) versehen ist.
  10. Lanze nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass im Bereich der Innendüsen (14) im Innenkanal (10) ein Teiler (31) angeordnet ist, der einen konzentrisch zum Innenkanal (10) angeordneten Kern (32) sowie sternförmig davon bis an ein den Innenkanal (10) radial außen begrenzendes Innenrohr (16) abstehende, sich radial und axial erstreckende Trennwände (32) aufweist, und dass ein Abstand (34) zwischen dem Kern (32) und dem Innenrohr (16) mindestens zweimal größer ist als ein Kerndurchmesser (35).
  11. Lanze nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kern (32) von einer den Innenkanal (10) im Bereich der Innendüsen (14) axial verschließenden inneren Stirnwand (36) axial absteht, und dass ein Übergang (37) vom Kern (32) zur inneren Stirnwand (36) im Längsschnitt kehlförmig ausgestaltet ist.
  12. Lanze nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine axiale Länge (38) des Kerns (32) gleich groß ist wie oder kleiner ist als ein Öffnungsquerschnitt (39) des Innenkanals (10) im Bereich der Innendüsen (14).
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