EP1864056B1

EP1864056B1 - Vormischbrenner für eine gasturbinenbrennkammer

Info

Publication number: EP1864056B1
Application number: EP06725400.3A
Authority: EP
Inventors: Adnan Eroglu; Majed Toqan
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: DE102005015152A1; US20080115497A1; EP1864056A1; WO2006103257A1; JP2008534903A; JP3169663U; US7565794B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner für eine Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere in einer Kraftwerksanlage, wenigstens umfassend ein einen Mischraum begrenzendes Gehäuse, eine Oxidatorzuführeinrichtung zum Zuführen eines gasförmigen Oxidators in den Mischraum, eine Gasbrennstoffzuführeinrichtung zum Zuführen eines gasförmigen Brennstoffs in den Mischraum sowie eine Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffs in den Mischraum, umfassend eine zentral angeordnete Brennerlanze, die sich von einem Brennerkopf in den Mischraum hinein erstreckt, und eine Auslassöffnung zum Austritt des Brennstoff/Luft-Gemischs.

Stand der Technik

Ein Vormischbrenner der eingangs genannten Art ist aus EP 0 433 790 bekannt. Der bekannte Brenner besitzt ein aus mehreren ineinandergeschachtelten Schalen aufgebautes Gehäuse, welches einen Mischraum umgibt. Durch die versetzte Anordnung der Halbschalen werden Schlitze zum tangentialen Zuführen eines Oxidators, insbesondere Verbrennungsluft, in den Mischraum gebildet. Infolge des tangentialen Verbrennungslufteintritts bildet sich in dem Mischraum eine Drallströmung aus, welche am Brenneraustritt infolge eines Querschnittssprungs instabil wird und in eine annulare Drallströmung mit einer Rückströmung im Kern übergeht. Diese Rückströmung ermöglicht die Stabilisierung einer Flammenfront stromab des Brenneraustritts. Innerhalb der Eintrittsschlitze für die Verbrennungsluft sind Injektoren zum Eindüsen eines gasförmigen Brennstoffs in die Verbrennungsluft vorgesehen. Diese Eindüsung führt in Verbindung mit der turbulenten Drallströmung innerhalb des Mischraums zu einer guten Durchmischung des gasförmigen Brennstoffs mit der Verbrennungsluft. Eine gute Durchmischung ist bei derartigen Brennern eine der Voraussetzungen für niedrige NO_x-Emissionen bei der Verbrennung. Außerdem ist der Brenner mit einer zentralen Lanze zur Zuführung eines flüssigen Brennstoffs ausgerüstet, welche sich ausgehend von dem Brennerkopf in den Mischraum hinein erstreckt. Die Lanze weist an ihrem freistehenden, axialen Ende eine Einspritzöffnung auf, durch welches der Flüssigbrennstoff in den Mischraum sowie in den stromab des Mischraums angeordneten Brennraum einer Brennkammer einspritzbar ist.
Bei diesem Brenner erfolgt die Eindüsung des flüssigen Brennstoffs in den Mischraum parallel zur Brennerachse und die Eindüsung des gasförmigen Brennstoffs in die Verbrennungsluft parallel zu deren Strömungsrichtung. Damit sind die Charakteristik der Eindüsung hinsichtlich Eindringtiefe und Einmischung der Brennstoffstrahlen sowie die Brennstoffverteilung entlang der Verbrennungslufteintrittsschlitze sowie der Brennerachse vorgegeben. Die Anordnung der Austrittsöffnungen legt die Mischgüte von Brennstoff und Verbrennungsluft sowie die Brennstoffverteilung am Brenneraustritt fest. Aber diese Grössen beeinflussen massgeblich die NO_x-Emissionen und die Löschgrenze des Brenners sowie seine Stabilität im Hinblick auf Verbrennungspulsationen. Problematisch beim Betrieb von Vormischbrennern, insbesondere solchen in Verbindung mit Gasturbinenanlagen, ist der Teillastbereich, da hier der Verbrennungsluft nur vergleichsweise geringe Brennstoffmengen zugemischt werden. Bei der vollständigen Vermischung des Brennstoffs mit der gesamten Verbrennungsluft entsteht aber ein Gemisch, welches gerade im unteren Teillastbereich nicht mehr zündfähig ist oder nur eine sehr instabile Flamme ausbildet. Dies führt zu unerwünschten Verbrennungspulsationen oder zu einem möglichen Verlöschen der Flamme.
Eine Möglichkeit zur Verminderung dieser nachteiligen Wirkungen besteht darin, die gesamte erforderliche Brennstoffmenge über die zentrale Lanze zuzuführen. Der Brenner wird dann bei sehr hohen Luftzahlen als Diffusionsbrenner betrieben. Daraus resultieren zum einen eine hohe Flammenstabilität, aber zum anderen auch sehr hohe NO_x-Emissionen.
Eine Weiterentwicklung des oben diskutierten Brenners ist Gegenstand der EP 1 292 795 , welche einen Brenner offenbart, der auch bei Änderungen der Last oder der Brennstoffqualität mit annähernd konstant niedrigen Emissionswerten stabil betrieben werden kann. Dieser Vormischbrenner umfasst ein aus mehreren Schalen zusammengesetztes Gehäuse, einen Mischraum, in den über tangential angeordnete Schlitze Verbrennungsluft eingeführt wird, die im Mischraum in eine Drallströmung übergeht, Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom, wobei diese Mittel eine erste Gruppe im wesentlichen parallel zur Brennerachse ausgerichteter Brennstoffaustrittsöffnungen für einen ersten Brennstoff umfassen und wenigstens eine zweite Gruppe im wesentlichen parallel zur Brennerachse ausgerichteter Brennstoffaustrittsöffnungen für einen zweiten Brennstoff umfasst, wobei die erste und die zweite Gruppe unabhängig voneinander beaufschlagbar sind, und diese Mittel vorzugsweise im Bereich der Verbrennungslufteintrittsschlitze angeordnet sind.
Zur weiteren Erhöhung der Flammenstabilität kann zusätzlich Pilotbrennstoff über eine Lanze eingebracht werden.
Da der Brenner ausschließlich mit Flüssigbrennstoff betrieben werden kann, ergibt sich die Möglichkeit, die Gasbrennstoffzuführeinrichtung zu warten oder zu reparieren, ohne dass hierzu der Betrieb des Brenners bzw. der Brennkammer völlig unterbrochen werden muss. Dies ist für die Effizienz der damit ausgestatteten Gasturbine von Vorteil. Wie an anderer Stelle bereits erwähnt, führt aber die Einspritzung von Flüssigbrennstoff in den Mischraum des Brenners bzw. in den Brennraum der Brennkammer üblicherweise zu deutlich erhöhten Flammentemperaturen, was beispielsweise auf eine unzureichende Zerstäubung, Vermischung und Verdampfung des Flüssigbrennstoffs vor dessen Zündung zurückzuführen ist. Erhöhte Flammentemperaturen gehen jedoch mit einer überproportional erhöhten Produktion an NO_x-Emissionen und Ruß einher. Dieser Nachteil kann dadurch etwas herabgemindert werden, dass dem flüssigen Brennstoff Wasser oder Wasserdampf, beispielsweise in einem Mengenverhältnis von 1:1, beigemischt wird, und anstelle des flüssigen Brennstoffs somit eine Brennstoff-/Wasser-Emulsion in den Mischraum eingedüst wird, was zu einer Verzögerung der Verbrennungsreaktion und zu einer Absenkung der lokalen Flammentemperaturen führt. Nachteilig ist dabei wiederum, dass die Zuführung eines derartigen Verdünnungsmittels den Wärmeübergang in der Turbine auf der Heißgasseite erhöht, was mit einer Reduzierung der Lebenszeit der Turbine einhergeht. Des weiteren gibt es Standorte für Kraftwerksanlagen, in denen Wasser zu kostbar ist, um es als Verdünnungsmittel zu verwenden. Berücksichtigt man außerdem die vergleichsweise kurze Zeit, in welcher der Brenner tatsächlich mit Flüssigbrennstoff betrieben wird, so anlässlich einer Wartung der Gasbrennstoffzuführeinrichtung oder im Pilotbetrieb, so sind die Aufwendungen zur Aufbereitung des Wassers, beispielsweise müssen hierzu Demineralisationsanlagen bereitgestellt werden, zu hoch.
Ein gattungsgemäßer Vormischbrenner ist Gegenstand der EP 1 336 800 , der sich insbesondere durch Maßnahmen zur weiteren Verminderung thermoakustischer Schwingungen innerhalb des Verbrennungssystems und damit erhöhter Verbrennungsstabilität auszeichnet. Dieser Brenner basiert auf dem Grundgedanken, mittels strömungstechnischer Maßnahmen die sich stromab des Brenneraustritts ausbildende zentrale Rückströmzone, innerhalb der sich das Brennstoff/Luft-Gemisch entzündet, zu stabilisieren. Zu diesem Zweck ist die relativ weit in den Mischraum hineinreichende zentrale Brennerlanze in ihrem stromabwärtigen Endbereich mit einem sich erweiternden Querschnitt ausgestattet. Die Lanze besitzt Austrittsöffnungen für vorzugsweise flüssigen Brennstoff und Verbrennungsluft und die entsprechenden Zuführkanäle für diese Medien. Zum einen verhindert die räumliche Nähe des Brennstoffeintrags die Gefahr eines Hineinwanderns der Flamme in den Mischraum und zum anderen unterstützt diese Nähe den Wirbelzusammenbruch des sich in Strömungsrichtung ausbreitenden Brennstoff/Luft-Gemischs mit der Folge einer Stabilisierung der Rückströmzone. Unterschiedliche Querschnittsformen des Endbereichs der Lanze beeinflussen außerdem in unterschiedlichem Maße die Ausbildung kohärenter Strukturen. Jedoch hat die weit in den Mischraum hineinreichende Eindüsung von Brennstoff den Nachteil einer verminderten Mischungsgüte des Brennstoff/Luft-Gemischs mit der an anderer Stelle bereits erwähnten Folge erhöhter NO_x-Emissionen.
Eine alternative Lösung zur Verminderung verbrennungsgetriebener thermoakustischer Schwingungen beim Betrieb eines gattungsgemäßen Brenners offenbart DE 10164099 . Dieser Lösungsvorschlag basiert auf dem Grundgedanken, die Eindüsung des Brennstoffs in einer Weise vorzunehmen, dass die Verzugszeit zwischen Eindüsung des Brennstoffs in den Verbrennungsluftstrom und dessen Verbrennung in der Flammenfront einer systematisch variierenden Verteilung entspricht. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine geringfügig um einen Mittelwert variierende Verzugszeit zwischen Eindüsungsort und Verbrennung das Auftreten solcher Schwingungen fördert, da geringfügige Schwankungen der Brennstoffzufuhr, initiiert durch Druckschwankungen im Verbrennungssystem, sich auf diese Weise zu potenzieren vermögen. Lösungsgemäß ist die weit in den Mischraum hineinreichende zentrale Brennerlanze in einem weiten Längenbereich mit umfangsmäßig über die Manteloberfläche verteilten Brennstoffeindüsungsöffnungen ausgestattet.
Nach einem älteren Vorschlag gemäß US 5307634 ist, anders als bei den vorgenannten Ausführungsformen, das aus wenigstens zwei ineinandergeschachtelten Schalen aufgebaute Gehäuse, welches den Mischraum umgibt, nicht konisch, sondern zylindrisch ausgebildet. Die versetzte Anordnung der hier zylindrischen Halbschalen bildet die Schlitze zum tangentialen Zuführen der Verbrennungsluft in den Mischraum. Innerhalb des Mischraums bildet sich die Drallströmung aus, welche am Brenneraustritt in eine annulare Drallströmung mit einer Rückströmung im Kern übergeht. Innerhalb der Lufteintrittsschlitze sind Injektoren zum Eindüsen gasförmigen Brennstoffs in die Verbrennungsluft vorgesehen. Ausgehend vom kopfseitigen Ende des Brenners ragt ein sich konisch verjüngender Zentralkörper in den Mischraum hinein, dessen spitzes Ende mit Austrittsöffnungen für den ebenfalls gasförmigen Pilotbrennstoff versehen ist. Diese Brennstofffraktion nimmt nicht an der Vormischung teil. Ein steter Anteil von 4% bis 6% des gesamten Brennstoffs wird während des Brennerbetriebs als Pilotbrennstoff zugeführt. Dieser Anteil trägt maßgeblich zu einer Erhöhung der NO_x-Emissionen bei.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, für einen gattungsgemässen Brenner eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere vergleichsweise preiswert realisierbar ist und dabei eine Reduzierung der NO_x-Emissionen sowie der Rußbildung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem gattungsgemäßen Brenner gemäß EP 1336800 die Lanze mit wenigstens einem Piloteinspritzloch und einem Teil der Einspritzlöcher des flüssigen Brennstoffs zu versehen, wobei die Einspritzlöcher (14) der Lanze (6) in wenigstens einer Reihe parallel zur Hauptausströmrichtung (9) angeordnet sind, und eine zweite Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung in Gestalt eines vom Oxidatorstrom umströmten Rohrs zumindest überwiegend innerhalb oder stromauf der Einlassöffnung des Gehäuses anzuordnen.
Durch diese Bauweise wird die Einspritzung des Flüssigbrennstoffs auf mehrere Einspritzlöcher verteilt, wodurch sich der Volumenstrom am einzelnen Einspritzloch reduziert. Auf diese Weise kann die Zerstäubungswirkung der einzelnen Einspritzlöcher verbessert werden. Gleichzeitig ergibt sich dadurch eine verbesserte Vermischung sowie eine verbesserte Verdampfung des Flüssigbrennstoffs. Aus der Anordnung der Einspritzlöcher in Reihe und parallel zur Hauptausströmrichtung resultiert zwangsläufig, dass ein Teil der Einspritzlöcher relativ weit von der Auslassöffnung des Mischraums entfernt ist. Der dort eingespritzte Flüssigbrennstoff besitzt daher eine erhöhte Verweildauer im Mischraum, was die Durchmischung und Verdampfung des Brennstoffs begünstigt. Besonders vorteilhaft für die Durchmischung und Verdampfung ist außerdem die Radialkomponente der Haupteinspritzrichtung am jeweiligen Einspritzloch. Denn diese Maßnahme intensiviert die Durchmischung und Verdampfung des Flüssigbrennstoffs.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau ergibt sich somit eine signifikante Verbesserung der Zerstäubung, der Durchmischung und der Verdampfung des Flüssigbrennstoffs. Dies verzögert zum einen die Zündung des Flüssigbrennstoffs und reduziert zum anderen die Gefahr lokal überhöhter Flammentemperaturen. In der Folge wird die NO_x-Bildung reduziert; außerdem entsteht weniger Ruß. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass die geschilderte Verbesserung der Emissionswerte erzielt werden kann, ohne dass dem Flüssigbrennstoff hierzu Wasser oder Wasserdampf oder ein anderes Verdünnungsmittel zugeführt werden müsste. In der Folge benötigt der erfindungsgemäße Brenner für den Betrieb mit Flüssigbrennstoff kein Wasser. Der Wasseranteil im Flüssigbrennstoff (sogenannter "ω-Wert") ist daher niedrig und beträgt vorzugsweise Null. Da für den Betrieb des Brenners mit Flüssigbrennstoff kein solches Verdünnungsmittel benötigt wird, entfallen auch entsprechende Anlagen zur Aufbereitung eines derartigen Verdünnungsmittels. Die Kosten zur Realisierung eines derartigen Brenners sind daher vergleichsweise gering.
Durch die Anordnung mehrerer Brennstoffeinspritzlöcher entlang der wenigstens einen tangentialen Einlassöffnung für den Oxidator, erfolgt die Zumischung des Flüssigbrennstoffs innerhalb der tangentialen Einlassöffnung des Mischraums oder unmittelbar stromauf davon. Diese Eindüsung führt in Verbindung mit der turbulenten Drallströmung innerhalb des Mischraums zu einer intensiven Durchmischung von Brennstoff und Oxidator. Gleichzeitig verlängert sich dadurch die Verweilzeit des eingespritzten Flüssigbrennstoffs, was ebenfalls die Durchmischung und vor allem die Verdampfung des Flüssigbrennstoffs verbessert.
Indem die zweite Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung zumindest einen Flüssigbrennstoffkanal aufweist, der an die Hauptzuführleitung für Flüssigbrennstoff angeschlossen ist, und der in einem sich entlang der wenigstens einen tangentialen Einlassöffnung erstreckenden Rohr ausgebildet ist, das bezüglich der Oxidatorströmung stromauf der jeweiligen Einlassöffnung angeordnet ist, ermöglicht die Eindüsung des Flüssigbrennstoffs über ein derartiges Rohr eine optimale Verteilung der Einspritzung des Flüssigbrennstoffs entlang der jeweiligen Einlassöffnung. Auch dies unterstützt die Zerstäubung, Durchmischung und Verdampfung des Flüssigbrennstoffs.
Bei einer besonderen Weiterbildung kann das besagte Rohr zusätzlich dazu genutzt werden, für den Betrieb des Brenners mit Gasbrennstoff denselben ebenfalls über das Rohr stromauf der jeweiligen Einlassöffnung dem Oxidatorstrom zuzuführen. Zu diesem Zweck enthält das Rohr neben dem Flüssigbrennstoffkanal zumindest einen Gasbrennstoffkanal. Der an dieser Stelle eingedüste Gasbrennstoff besitzt somit ebenfalls eine besonders lange Aufenthaltsdauer im Brenner, was die Durchmischung mit dem Oxidatorstrom intensiviert. Die Integration des Flüssigbrennstoffkanals und des wenigstens einen Gasbrennstoffkanals in ein gemeinsames Rohr reduziert dabei die Herstellungskosten des Brenners.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Brenners 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: einen stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch einen Brenner nach der Erfindung,
Fig. 2: einen Querschnitt durch den Brenner gemäss Fig. 1 entsprechend Schnittlinien IX - IX,
Fig. 3: einen Querschnitt durch den Brenner gemäss Fig. 1 entsprechend Schnittlinien X - X,
Fig. 4: eine vergrößerte Ansicht auf ein Detail XI aus Fig. 2,
Fig. 5: eine Ansicht auf ein Detail XII aus Fig. 1,
Fig. 6: eine vergrößerte Ansicht auf ein Detail XIII aus Fig. 5.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Entsprechend Fig. 1 umfasst ein erfindungsgemässer Brenner 1 einen von einem Gehäuse 2 begrenzten Mischraum 3. Der Brenner 1 weist außerdem einen Brennerkopf 4 auf, der einer Auslassöffnung 5 des Mischraums 3 gegenüberliegend angeordnet ist. Am Brennerkopf 4 ist eine Lanze 6 angebracht, die zentral in den Mischraum 3 hineinragt.
Entsprechend den Fig. 2 und 3 ist das Gehäuse 2 bei den hier gezeigten Ausführungsformen so gestaltet, dass der Mischraum 3 zwei Einlassöffnungen 7 für den Oxidator aufweist. Diese Einlassöffnungen 7 sind dabei so angeordnet und gestaltet, dass sich für den Mischraum 3 eine tangentiale Einströmung und somit ein konzentrisches Wirbelsystem ausbildet. Erreicht wird dies hier durch eine Halbschalenbauweise des Gehäuses 2, wobei die Halbschalen in ihrer Trennebene bezüglich einer Längsmittelachse des Gehäuses 2 exzentrisch zueinander versetzt angeordnet sind. Des weiteren ist das Gehäuse 2 im wesentlichen kegelförmig mit einem sich zur Auslassöffnung 5 hin aufweitenden Querschnitt ausgebildet. Indes ist die kegelförmige Ausbildung des Gehäuses 2 nicht zwingend. Es kann auch zylindrisch ausgebildet sein, wobei es bei einer solchen Ausführungsform des Gehäuses 2 zweckmässig ist, einen sich konisch verjüngenden Innenkörper innerhalb des Mischraums 3 anzuordnen, wie dies in der eingangs zitierten EP 1 292 795 näher dargelegt ist.
Der Brenner 1 dient zur Versorgung einer nicht gezeigten Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere in einer Kraftwerksanlage, mit einem Oxidator-Brennstoff-Gemisch. Hierzu ist der Brenner 1 an besagte Brennkammer angeschlossen, und zwar so, dass die Auslassöffnung 5 an einem Brennraum 8 der Brennkammer mündet. Dabei weist das Oxidator-Brennstoff-Gemisch an der Auslassöffnung 5 eine Hauptausströmrichtung 9 auf, die sich parallel zur Längsrichtung des Mischraums 3 erstreckt und die im wesentlichen senkrecht auf der Auslassöffnung 5 steht.
Der Brenner 1 ist mit einer Oxidatorzuführeinrichtung 10 ausgestattet, die in den Fig. 1, 2, 3 durch einen Pfeil symbolisiert ist. Die Oxidatorzuführeinrichtung 10 dient zum Zuführen eines gasförmigen Oxidators, in der Regel Luft, in den Mischraum 3. Der erfindungsgemäße Brenner 1 ist für einen Betrieb mit flüssigem Brennstoff, wie zum Beispiel Heizöl, ausgestaltet. Hierzu weist der Brenner 1 eine erste Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung 12 auf, mit deren Hilfe flüssiger Brennstoff in die Mischkammer 3 eingeführt werden kann.
Diese erste Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung 12 ist mit wenigstens einer Hauptzuführleitung 13 ausgestattet, die den Flüssigbrennstoff mehreren Einspritzlöchern 14 zuführt. Durch diese Einspritzlöcher 14 kann der Flüssigbrennstoff in den Mischraum 3 eingebracht werden. Dabei sind die Einspritzlöcher 14 so angeordnet bzw. verteilt, dass zumindest mehrere Einspritzlöcher 14 bezüglich der Hauptausströmrichtung 9 in wenigstens einer Reihe angeordnet sind. Des weiteren ist es besonders wichtig, dass die einzelnen Einspritzlöcher 14 dabei so ausgestaltet sind, dass eine hier jeweils durch einen Pfeil symbolisierte Haupteinspritzrichtung 15 des jeweiligen Einspritzlochs 14 eine Radialkomponente aufweist, die sich radial zur Hauptausströmrichtung 9 erstreckt. Als "Haupteinspritzrichtung" wird dabei diejenige Richtung verstanden, die ein Spritzstrahl mit oder ohne Drall im Mittel aufweist.
Durch diesen Aufbau bzw. durch diese Ausgestaltung und Anordnung der Einspritzlöcher 14 ergibt sich eine in der Längsrichtung des Mischraums 3 verteilte Anordnung der Einspritzlöcher 14. Dies ist zur Erzielung einer verbesserten Zerstäubung, Durchmischung und Verdampfung des eingespritzten Flüssigbrennstoffs von Vorteil.
Die Einspritzlöcher 14 sind an der Lanze 6 ausgebildet, wodurch die Einspritzung des Flüssigbrennstoffs in die Drallströmung, welche sich aufgrund der tangentialen Zuführung des Oxidators in dem Mischraum 3 ausbildet, quasi von innen her erfolgt.
Vorzugsweise sind die Einspritzlöcher 14 in mehr als einer Reihe parallel zur Hauptausströmrichtung 9 angeordnet, beispielsweise in zwei diametral gegenüberliegenden Reihen. Gemäß Fig. 2 liegen die Einspritzlöcher 14 beispielsweise in der Trennebene der beiden Gehäusehalbschalen 2, innerhalb der die beiden Gehäusehalbschalen 2 exzentrisch zueinander versetzt angeordnet sind und die schlitzförmigen Einlassöffnungen 7 ausbilden.
Die Anzahl der Reihen von Einspritzlöchern 14 entspricht zweckmäßig der Anzahl an Einlassöffnungen 7 des Mischraums 3. Auf diese Weise kann jede Gruppe der Einspritzlöcher 14 speziell einer Einlassöffnung 7 zugeordnet werden. Indes ist dies nicht zwingend. Es können ebensogut mehr oder weniger Reihen von Einspritzlöchern 17 angeordnet sein, oder die Reihen können gegenüber der Einlassöffnung 7 stromauf oder stromab versetzt sein.
Während die in zwei gegenüberliegenden Reihen angebrachten Einspritzlöcher 14 nach der Darstellung der Figur 2 jeweils paarweise in derselben Längsebene angeordnet sind, können die Einspritzlöcher der gegenüberliegenden Reihen auch zueinander versetzt sein. Dabei weisen die aufgereihten Einspritzlöcher 14 jeder Reihe vorzugsweise einen gleichmäßigen Abstand untereinander auf.
Die Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung 12 ist mit einer Pilotzuführleitung 16 ausgestattet, mit deren Hilfe zumindest einem Piloteinspritzloch 17 Flüssigbrennstoff zugeführt werden kann. Im Unterschied zu den übrigen Einspritzlöchern 14 ist das wenigstens eine Piloteinspritzloch 17 so ausgestaltet, dass es eine durch einen Pfeil angedeutete Haupteinspritzrichtung 18 aufweist, die ausschließlich eine Axialkomponente aufweist, die sich parallel zur Hauptausströmrichtung 9 erstreckt. Im Pilotbetrieb des Brenners 1 kann somit Flüssigbrennstoff axial, also parallel zur Hauptausströmrichtung 9 mit oder ohne Drall in den Mischraum 3 bzw. direkt in den Brennraum 8 eingespritzt werden.
Entsprechend Figur 1 können die Einspritzlöcher 14 zweckmäßig auch so ausgestaltet sein, dass ihre jeweilige Haupteinspritzrichtung 15 zusätzlich zur Radialkomponente außerdem eine Axialkomponente aufweist, die sich also parallel zur Hauptausströmrichtung 9 erstreckt. Auf diese Weise kann beispielsweise die Durchmischung mit der Oxidatorströmung verbessert werden.
Außerdem können die Einspritzlöcher 14 auch so ausgestaltet sein, dass die jeweilige Haupteinspritzrichtung 15 zusätzlich zur Radialkomponente außerdem eine Umfangskomponente aufweist. Diese Umfangskomponente oder Tangentialkomponente erstreckt sich dabei quer zur Hauptausströmrichtung 9 sowie quer zur Radialkomponente. Dabei ist diese Umfangskomponente zweckmäßig in der Rotationsrichtung der Drallströmung orientiert, die sich aufgrund der tangentialen Einströmung des Oxidators im Mischraum 3 ausbildet. Auch die Umfangskomponente kann zur Verbesserung der Durchmischung des Flüssigbrennstoffs mit dem Oxidator beitragen. Dabei ist klar, dass die Einspritzlöcher 14 so ausgestaltet werden können, dass die Haupteinspritzrichtung 15 neben der Radialkomponente die Axialkomponente und die Umfangskomponente kumulativ oder alternativ aufweist.
Für die Anordnung, Positionierung und Dimensionierung der Einspritzlöcher 14 sowie für die Orientierung deren Haupteinspritzrichtung 15 wird zweckmäßig ein Optimum gesucht, das zu einer besonders guten Zerstäubung, Durchmischung und Verdampfung des Flüssigbrennstoffs im Oxidatorgas führt. Hierzu kann es insbesondere auch erforderlich sein, die einzelnen Einspritzlöcher 14 hinsichtlich Lochquerschnitt und/oder Haupteinspritzrichtung und/oder gegenseitigem Abstand unterschiedlich auszugestalten, um im Extremfall jedes einzelne Einspritzloch an die lokal herrschenden Strömungsbedingungen optimal anpassen zu können. Des weiteren ist klar, dass die Einspritzlöcher 14 ein bestimmtes Verhältnis von Länge zu Durchmesser aufweisen müssen, um die jeweils gewünschte Haupteinspritzrichtung sauber darstellen zu können. Es ist durchaus möglich, dass es dabei erforderlich wird, die Wandstärke der Lanze 6 größer zu wählen als dies zum Beispiel bei einer herkömmlichen Lanze 6 zur Eindüsung flüssigen Brennstoffs der Fall ist.
Jeder Einlassöffnung 7 ist ein Rohr 19 zugeordnet, siehe hierzu auch die Figuren 2 und 3. Die Rohre 19 sind dabei innerhalb oder bezüglich der Oxidatorströmung stromauf der jeweils zugeordneten Einlassöffnung 7 angeordnet und erstrecken sich quasi parallel entlang der ganzen jeweiligen Einlassöffnung 7. Zweckmäßig sind die Rohre 19 dabei nicht mit einem kreisrunden Querschnitt ausgestattet, sondern weisen in Anpassung an die Platz- und Strömungsverhältnisse innerhalb oder unmittelbar stromauf der Einlassöffnung 7 ein langrundes, ein ovales oder ein Stromlinienprofil auf.
Eine Gasbrennstoffzuführeinrichtung 11 umfasst zumindest eine Zuführleitung; im vorliegenden Fall sind zwei Zuführleitungen vorgesehen, nämlich eine erste Zuführleitung 20 und eine zweite Zuführleitung 21. Mit den Zuführleitungen 20, 21 kann mehreren Eindüslöchern 22, 23 Gasbrennstoff zugeführt werden. Dabei werden erste Eindüslöcher 22 von der ersten Zuführleitung 20 versorgt, während zweite Eindüslöcher 23 von der zweiten Zuführleitung 21 versorgt werden. Die Eindüslöcher 22, 23 sind dabei bezüglich der Oxidatorströmung stromauf der jeweiligen Einlassöffnung 7 angeordnet. Das jeweilige Rohr 19 enthält dabei zumindest einen Gasbrennstoffkanal, der an die jeweilige Zuführleitung 20, 21 angeschlossen ist und der zu den jeweils zugeordneten Eindüslöchern 22, 23 führt. Im vorliegenden Fall ist demnach in jedem Rohr 19 ein erster Gasbrennstoffkanal 24 enthalten, der die erste Zuführleitung 20 mit den ersten Eindüslöchern 22 kommunizierend verbindet. In entsprechender Weise enthält jedes Rohr 19 auch einen zweiten Gasbrennstoffkanal 25, der die zweite Zuführleitung 21 mit den zweiten Eindüslöchern 23 kommunizierend verbindet.
Bei den hier gezeigten Ausführungsformen sind die ersten Eindüslöcher 22 in einem von der Auslassöffnung 5 entfernten, an den Brennerkopf 4 anschließenden ersten Längsabschnitt des Mischraums 3 angeordnet und bilden dadurch eine erste Brennerstufe. Im Unterschied dazu sind die zweiten Eindüslöchern 23 in einem an die Auslassöffnung 5 anschließenden zweiten Längsabschnitt des Mischraums 3 angeordnet und bilden dadurch eine zweite Brennerstufe, die bezüglich der Hauptausströmrichtung 9 stromab der ersten Brennerstufe angeordnet ist. Über die separaten Zuführleitungen 20, 21 können die beiden Brennerstufen unabhängig voneinander gesteuert werden. Insoweit handelt es sich bei der Ausführungsform der Fig. 1 um einen zweistufigen Brenner 1.
Innerhalb jedes Rohrs 19 sind sowohl die erste Gruppe von Eindüslöchern 22 als auch die zweite Gruppe von Eindüslöchern 23 jeweils für sich in wenigstens einer Reihe angeordnet, die sich im wesentlichen entlang der jeweiligen Einlassöffnung 7 erstrecken.
Das Rohr 19 enthält zusätzlich einen Flüssigbrennstoffkanal 26, der sich parallel zu den Gasbrennstoffkanälen 24, 25 erstreckt. Der Flüssigbrennstoffkanal 26 stellt eine kommunizierende Verbindung zwischen der Hauptzuführleitung 13 und den Einspritzlöchern 14 her. Die Integration der Einspritzlöcher 14 in das Rohr 19 ergibt einen besonders einfachen Aufbau für den Brenner 1, der sowohl mit gasförmigem Brennstoff als auch mit flüssigem Brennstoff betrieben werden kann. Gleichzeitig ergibt sich bei dieser Art der Einspritzung des Flüssigbrennstoffs eine besonders große Verweildauer für den Flüssigbrennstoff im Mischraum 3, wodurch die Zerstäubung, Durchmischung und Verdampfung des Flüssigbrennstoffs verbessert wird.
Dabei ist klar, dass bei einer anderen Ausführungsform das wenigstens eine Rohr 19 ausschließlich den Flüssigbrennstoffkanal 26 enthalten kann, wobei dann die Einbringung des Gasbrennstoffs mit Hilfe eines separaten Rohrs oder auf eine beliebige andere geeignete Weise erfolgen kann.
Entsprechend Figur 4 besitzt das Rohr 19 im Bereich des ersten Gasbrennstoffskanals 24 einen dreikammerigen Aufbau, wobei jede Kammer einen der Kanäle 24, 25, 26 bildet. Der Schnitt für die Darstellung gemäß Fig. 4 ist dabei so gewählt, dass jeweils ein Paar gegenüberliegender erster Eindüslöcher 22, die mit dem ersten Gasbrennstoffkanal 24 kommunizieren, ein Paar gegenüberliegender zweiter Einspritzlöcher 23, die mit dem zweiten Gasbrennstoffkanal 25 kommunizieren, und mehrere Einspritzlöcher 14 erkennbar sind, die mit dem Flüssigbrennstoffkanal 26 kommunizieren.
Dabei ist erkennbar, dass auch hier wieder jeweils mehrere Einspritzlöcher 14 zu Gruppen zusammengefasst sind, die jeweils hintereinander in einer Reihe parallel zur Hauptausströmrichtung 9 angeordnet sind. Dabei sind sämtliche Einspritzlöcher 14 jeweils so ausgestaltet, dass ihre jeweilige Haupteinspritzrichtung 15 eine Radialkomponente bezüglich der Hauptausströmrichtung 9 des Brenners 1 aufweist. Darüber hinaus sind mehrere Einspritzlöcher 14 entlang einer Abströmkante des Rohrs 19 angeordnet und dabei so ausgestaltet, dass ihre jeweilige Haupteinspritzrichtung 15 parallel zu einer Haupteinströmrichtung des Brenners 1 verläuft. Diese Haupteinströmrichtung ist in Fig. 11 durch einen Pfeil symbolisiert und mit 27 bezeichnet. Die Haupteinströmrichtung 27 weist der in den Mischraum 3 einströmende Oxidatorstrom an der jeweiligen Einlassöffnung 7 auf. Darüber hinaus sind hier zwei Reihen von Einspritzlöchern 14 vorgesehen, die jeweils so ausgestaltet sind, dass ihre jeweilige Haupteinspritzrichtung 15 bezüglich der Haupteinströmrichtung 27 eine Querkomponente aufweist. Auf diese Weise erfolgt die Einspritzung direkt in die Oxidatorströmung, welche das Rohr 19 umströmt und stromab des Rohrs 19 durch die Einlassöffnung 7 in den Mischraum 3 eintritt.
Entsprechend den Fig. 5 und 6 sind die Einspritzlöcher 14 und die an der selben Seite des Rohrs 19 ausgebildeten zweiten Eindüslöcher 23 bezüglich der Hauptausströmrichtung 9 zueinander versetzt angeordnet, um auf diese Weise eine gegenseitige Überlappung zu vermeiden. Entsprechendes gilt zweckmäßig auch für die relative Lage zwischen den Einspritzlöchern 14 und den ersten Eindüslöchern 22. Durch die versetzte Anordnung kann beispielsweise vermieden werden, dass beim Betrieb des Brenners 1 mit Gasbrennstoff ein zündfähiges Gemisch durch die Einspritzlöcher 14 in die Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung 12 gelangt.

Bezugszeichenliste

1: Brenner
2: Gehäuse
3: Mischraum
4: Brennerkopf
5: Auslassöffnung
6: Lanze
7: Einlassöffnung
8: Brennraum
9: Hauptausströmrichtung
10: Oxidatorzuführeinrichtung
11: Gasbrennstoffzuführeinrichtung
12: erste Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung
13: Hauptzuführleitung
14: Einspritzloch
15: Hautpeinspritzrichtung
16: Pilotzuführleitung
17: Piloteinspritzloch
18: Hauptausströmrichtung von 17
19: Rohr
20: erste Zuführleitung
21: zweite Zuführleitung
22: erstes Eindüsloch
23: zweites Eindüsloch
24: erster Gasbrennstoffkanal
25: zweiter Gasbrennstoffkanal
26: Flüssigbrennstoffkanal
27: Haupteinströmrichtung

Claims

Vormischbrenner für eine Brennkammer einer Gasturbine, umfassend
- ein Gehäuse (2) zur Begrenzung eines Mischraums (3) zur Vormischung eines Oxidators mit einem gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoff,

- eine Oxidatorzuführeinrichtung (10) zum Zuführen des Oxidators in den Mischraum (3), welche zumindest eine Einlassöffnung (7) aufweist, die so gestaltet und angeordnet ist, dass der durch diese wenigstens eine Einlassöffnung (7) dem Mischraum (3) zugeführte Oxidator im wesentlichen tangential in den Mischraum (3) einströmt,

- eine Gasbrennstoffzuführeinrichtung (11) zum Zuführen des gasförmigen Brennstoffs in den Mischraum (3),

- eine erste Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung (12) zum Zuführen des flüssigen Brennstoffs in den Mischraum (3), umfassend eine zentral angeordnete Lanze (6), die sich von einem Brennerkopf (4) in den Mischraum (3) hinein erstreckt,

- eine Auslassöffnung (5) des Gehäuses (2) zum Austritt des Oxidator-Brennstoff-Gemischs aus dem Mischraum (3) in die Brennkammer,
wobei die erste Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung (12) eine Hauptzuführleitung (13) mit mehr als einem Einspritzloch (14) für Flüssigbrennstoff aufweist, und zumindest der überwiegende Teil oder alle dieser Einspritzlöcher (14) so ausgestaltet sind, dass eine Haupteinspritzrichtung (15) des jeweiligen Einspritzlochs (14) eine Radialkomponente aufweist, die sich senkrecht zu einer Hauptausströmrichtung (9) des Brenners erstreckt, wobei unter Hauptausströmrichtung (9) des Brenners eine Richtung zu verstehen ist, welche das aus dem Mischraum (3) ausströmende Oxidator-Brennstoff-Gemisch an der Auslassöffnung (5) des Mischraums (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (6) wenigstens ein Piloteinspritzloch (17) und einen Teil der Einspritzlöcher (14) aufweist, wobei die Einspritzlöcher (14) der Lanze (6) in wenigstens einer Reihe parallel zur Hauptausströmrichtung (9) angeordnet sind, und dass eine zweite Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung in Gestalt eines vom Oxidatorstrom umströmten Rohrs (19) zumindest überwiegend innerhalb oder stromauf der Einlassöffnung (7) des Gehäuses (2) angeordnet ist.
Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass eine erste Anzahl dieser Einspritzlöcher (14) entlang einer ersten Reihe parallel zur Hauptausströmrichtung (9) angeordnet ist,

- dass eine zweite Anzahl dieser Einspritzlöcher (14) entlang einer zweiten Reihe parallel zur Hauptausströmrichtung (9) angeordnet ist, und

- dass die beiden Reihen der Einspritzlöcher (14) der ersten Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung (12) einander diametral gegenüberliegen.
Vormischbrenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Einspritzlöcher (14) zumindest überwiegend so ausgestaltet sind, dass die Haupteinspritzrichtung (15) des jeweiligen Einspritzlochs (14) zusätzlich eine Axialkomponente in Richtung der Hauptausströmrichtung (9) aufweist, und/oder

- dass die Einspritzlöcher (14) zumindest überwiegend so ausgestaltet sind, dass die Haupteinspritzrichtung (15) des jeweiligen Einspritzlochs (14) zusätzlich eine Tangentialkomponente in einer Drallrichtung in dem Mischraum (3) aufweist.
Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Lanze (6) mit einer Hauptzuführleitung (13) und einer Pilotzuführleitung (16) ausgestattet ist,

- dass die Pilotzuführleitung (16) das Piloteinspritzloch (17) speist, das an dem freien Ende der Lanze (6) angeordnet ist und dessen Haupteinspritzrichtung (18) parallel zur Hauptausströmrichtung (9) gerichtet ist,

- dass die Hauptzuführleitung (13) mindestens eine Reihe von Einspritzlöchern (14) speist, die sich parallel zur Hauptauströmrichtung (18) über die Mantelfläche der Lanze (6) erstrecken und deren Haupteinspritzrichtung (15) eine Radialkomponente aufweist.
Vormischbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (6) zwei diametral gegenüberliegende Reihen von Einspritzlöchern (14) aufweist.
Vormischbrenner nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzlöcher (14) eine Haupteinspritzrichtung (15) mit einer Radialkomponente und mit einer Axialkomponente und/oder einer Tangentialkomponente aufweisen.
Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (19) eine ovalförmige Querschnittsform besitzt.
Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass eine Anzahl der Einspritzlöcher (14) so ausgestaltet ist, dass eine Haupteinspritzrichtung (15) des jeweiligen Einspritzlochs (14) parallel zur Haupteinströmrichtung (27) des in den Mischraum (3) einströmenden Oxidatorstroms verläuft, und/oder

- dass eine Anzahl der Einspritzlöcher (14) so ausgestaltetist, dass eine Haupteinspritzrichtung (15) des jeweiligen Einspritzlochs (14) eine Querkomponente aufweist, die wenigstens annähernd senkrecht zur Haupteinströmrichtung (27) des Oxidatorstroms in der Einlassöffnung (7) verläuft.
Vormischbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (19) zumindest einen Flüssigbrennstoffkanal (26) aufweist, der mehrere Einspritzlöcher (14) der Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung (12) speist.
Vormischbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rohr (19) parallel zu dem Flüssigbrennstoffkanal (26) wenigstens ein Gasbrennstoffkanal (24, 25) ausgebildet ist, der Eindüslöcher (22, 23) speist und der an wenigstens eine Zuführleitung (20, 21) für den Gasbrennstoff angeschlossen ist.
Vormischbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
- dass in dem Rohr (19) parallel zum Flüssigbrennstoffkanal (26) ein erster Gasbrennstoffkanal (24) ausgebildet ist, der an eine erste Zuführleitung (20) angeschlossen ist, und der eine erste Gruppe von Eindüslöchern (22) mit Gasbrennstoff speist,

- dass in dem Rohr (19) parallel zum Flüssigbrennstoffkanal (26) ein zweiter Gasbrennstoffkanal (25) ausgebildet ist, der an eine zweite Zuführleitung (21) angeschlossen ist, und der eine zweite Gruppe von Eindüslöchern (23) mit Gasbrennstoff speist.
Vormischbrenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gruppe von Eindüslöchern (23) bezüglich der Hauptausströmrichtung (9) stromab der ersten Gruppe von Eindüslöchern (22) angeordnet ist.
Vormischbrenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beide Gruppen von Eindüslöchern (22, 23) in wenigstens einer Reihe auf der Mantelfläche des Rohres (19) angeordnet sind.