EP1943462A1 - Brennerlanze - Google Patents

Brennerlanze

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Publication number
EP1943462A1
EP1943462A1 EP06807282A EP06807282A EP1943462A1 EP 1943462 A1 EP1943462 A1 EP 1943462A1 EP 06807282 A EP06807282 A EP 06807282A EP 06807282 A EP06807282 A EP 06807282A EP 1943462 A1 EP1943462 A1 EP 1943462A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lance
fuel
head
lance head
control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06807282A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefano Bernero
Thomas Ruck
Christian Steinbach
Martin Von Planta
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1943462A1 publication Critical patent/EP1943462A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/26—Controlling the air flow
    • 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
    • F23C7/008—Flow control devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • 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
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • 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
    • F23C2900/07021—Details of lances

Definitions

  • the invention relates to a lance for introducing a fuel into a mixing section of a premix burner, in particular a premix burner of a gas turbine plant, having the features of the preamble of claim 1.
  • a lance which has a lance head, a fuel supply, an oxidator and a control device.
  • the lance head projects in the mounted state into the mixing section of the burner and has at least one fuel nozzle for injecting the fuel into the mixing section and at least one oxidizer outlet opening for introducing an oxidizer into the mixing section.
  • the fuel supply extends within the lance and is connected to the at least one fuel nozzle.
  • the Oxidatorzu operation runs within the lance head and is connected to the at least one Oxidatoraustrittsö réelle.
  • the control device serves to control a flow cross-section of the oxidizer feed.
  • the control device has a rotary valve sleeve which contains a plurality of radial control openings.
  • the rotary valve sleeve is rotatably mounted externally on a jacket of the lance head. Said jacket encloses an annular space which forms the annular oxidizer outlet opening on the outlet side. In the jacket a plurality of radial Oxidatoreinlassö réelleen are provided. By turning the rotary valve sleeve, the oxidator inlet openings of the jacket can be more or less coincided with the control openings of the rotary valve sleeve, whereby the flow cross section of the Oxidatorzu Insert can be controlled.
  • the invention aims to remedy this situation.
  • the invention as characterized in the claims, deals with the problem of providing for a lance of the type mentioned an improved, alternative embodiment, which is characterized by a comparatively inexpensive structure or by a simplified feasibility. According to the invention, this problem is solved by the subject matter of the independent claim. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the invention is based on the general idea to realize the control of the deliverable via the lance oxidizer amount by means of a control piston, which is arranged for this purpose in the lance head adjustable in height.
  • a control piston which is arranged for this purpose in the lance head adjustable in height.
  • the flow cross section for opening and closing can thus be controlled.
  • Such a stroke movement of the control piston can be realized comparatively easily.
  • the production cost of the lance is reduced.
  • control piston may be connected axially to a piston rod which extends inside the lance and which is connected in particular to a control piston drive at a lance end remote from the lance head.
  • control piston drive can be arranged relatively far away from the hot burner, whereby the cost of cooling the control piston drive is reduced.
  • the oxidator supply may have a control chamber arranged in the lance head, which is arranged upstream of the at least one oxidizer outlet opening and which has at least one radial oxidizer inlet opening.
  • the control piston in this control chamber is arranged Hubver plausible, such that it depends on the stroke, the at least one Oxidatoreinlassö réelle more or less, so controls for opening and closing.
  • this construction by the axial overlap between the control piston and the at least one Oxidatoreinlassö réelle the istströmbare cross section of the Oxidatorzu entry to be controlled. In this case, this structure is characterized by a high reliability.
  • the fuel supply comprises at least one fuel line extending within the lance.
  • the piston rod and the at least one fuel line are housed.
  • FIG. 1 shows a greatly simplified axial section through a burner in the region of a lance, wherein the lance is shown axially shortened.
  • a burner 1 comprises a mixing section 2.
  • the burner 1, which is for example a premix burner, may preferably be a component of a turbine system, preferably a gas turbine system.
  • a lance 3 which has a lance head 4 and a lance shaft 5.
  • the Lance shaft 5 is here in its longitudinal direction, that is axially interrupted and thus shown extremely shortened.
  • the lance head 4 is arranged in the shown mounted state on the burner 1 so that it projects into the mixing section 2. Preference is given to a coaxial arrangement of lance 3 and burner 1, so that the lance head 4 projects coaxially into the mixing section 2.
  • the lance head 4 has at least one fuel nozzle 6, with the aid of which fuel can be injected into the mixing section 2.
  • two such fuel nozzles 6 are exemplified.
  • the lance head 4 has four such fuel nozzles 6, which are distributed in the circumferential direction and spaced from each other. In principle, however, the number of fuel nozzles 6 is arbitrary. It is noteworthy that the fuel nozzles 6 are arranged on the lance head 4 at a radially outer edge region. The fuel nozzles 6 are thus eccentric with respect to a longitudinal central axis 7 of the lance 3, that is arranged at a distance or at a certain radius.
  • the lance head 4 is equipped with at least one oxidizer outlet opening 8, with the aid of which an oxidizer can be introduced into the mixing section 2.
  • the lance head 4 only a single Oxidatoraustrittsö réelle 8. It is noteworthy that the Oxidatoraustrittsö réelle 8 is centrally located on the lance head 4.
  • the Oxidatorein effet into the mixing section 2 thus takes place on the axial end face of the lance head 4 in the axial direction.
  • the fuel nozzles 6 are thus arranged offset radially outward relative to the oxidizer outlet opening 8.
  • the supplied via the lance head 4 oxidizer for the lance head 4 ensure adequate cooling and flushing.
  • the fuel supplied via the lance 3 is preferably a liquid fuel, for example fuel oil.
  • a gaseous fuel such as natural gas, may be supplied.
  • the oxidizer is usually an oxygen-containing gas, preferably air.
  • the lance 3 also has a fuel supply 9, which extends in the lance 3 and which is connected in the mounted state to a symbolized by an arrow fuel supply 10.
  • the fuel supply 9 is connected to the fuel nozzles 6.
  • the lance 3 comprises an oxidizer feed 11 which extends within the lance head 4 and which is connected in the mounted state to an oxidizer supply 12 symbolized by an arrow.
  • the Oxidatorzu operation 11 is connected to the Oxidatoraustrittsö réelle 8.
  • the lance 3 is also equipped with a control device 13, by means of which a flow cross-section of the oxidizer feed 11 and thus the amount of oxidant introduced into the mixing section 2 by the lance head 4 can be controlled.
  • the control device 13 comprises a control piston 14, which is arranged to be adjustable in height in the lance head 4.
  • the control piston 14 is arranged within the Oxidatorzu Entry 11 so that it can control the flow cross-section of the Oxidatorzu Insert 11 depending on its stroke.
  • the control piston 14 in the lance longitudinal direction that is arranged to be adjustable in height parallel to the longitudinal central axis 7.
  • the control piston 14 is arranged coaxially to the longitudinal central axis 7.
  • a receiving cylinder 15 is also formed in the lance head 4, in which the control piston 14 is mounted adjustable in stroke.
  • this receiving cylinder 15 is arranged coaxially to the longitudinal central axis 7.
  • the control device 13 comprises a piston rod 16, which is connected axially to the control piston 14, specifically at its end remote from the oxidizer outlet 8.
  • the piston rod 16 extends within the lance 3 or within the lance shaft 5, which is designed for this purpose as a tubular body.
  • the embodiment shown here is preferred, in which the piston rod 16 extends centrally within the lance 3 or within the lance shaft 5, which is designed as a tubular body, that is to say coaxially to the longitudinal center axis 7.
  • the lance 3 is provided with a control piston drive 18, which is drive-connected in a suitable manner to the piston rod 16 and with which the piston rod 16 is axially adjustable.
  • the drive coupling between the piston rod 16 and the control piston drive 18 is a kind of spindle drive.
  • control piston 14 is axially sharpened at its end facing the oxidizer outlet opening 8.
  • this end is designed as a cone or cone.
  • the Oxidatorzu Installation 11 comprises a control chamber 19, which is preferably arranged centrally in the lance head 4.
  • this control chamber 19 of the control piston 14 is arranged strokever plausible.
  • the control chamber 19 connects axially to the receiving cylinder 15, the receiving cylinder 15 is for this purpose
  • Control chamber 19 axially open.
  • the control chamber 19 forms an axial extension of the receiving cylinder 15.
  • the control chamber 19 is arranged upstream of the oxidizer outlet opening 8 and has at least one radial oxidizer inlet opening 20. In the sectional view shown only two such Oxidatoreinlassö Maschinenen 20 can be seen. In principle, a single oxidizer inlet port 20 may be sufficient.
  • the Oxidatoreinlassö réelleen 20 are designed here as axial slots, that is, their axial extent is greater than their extent in the circumferential direction.
  • the axial length of the Oxidatoreinlassö réelleen 20 is tuned to the traversable by the control piston 14 axial stroke so that the control piston 14 by radial overlap of the Oxidatoreinlassö réelleen 20 more or less open or close depending on its stroke.
  • the Oxidatoreinlassö réelleen 20 are maximum, preferably 100% open.
  • the Oxidatoreinlassö réelleen 20 are maximum, preferably 100%, closed. With more or less opened Oxidatoreinlassö réelleen 20, the sharpened end of the control piston 14 supports a possible low-resistance deflection of the oxidant flow.
  • the Oxidatorzu Installation 11 includes in the embodiment shown here also an oxidizer 21, which connects axially to the control chamber 19 and at its end remote from the control chamber 19 end the Oxidatoraustrittsö réelle 8 forms.
  • the Oxidatorraum 21 is preferably centrally, that is arranged coaxially to the longitudinal central axis 7 in the lance head 4.
  • the fuel feed 9 here comprises at least one fuel line 22, which is arranged in the interior of the lance 3 or in the interior of the lance shaft 5. Shown here is only a single fuel line 22. Of course, more than one fuel line 22 may be arranged in the lance 3.
  • the fuel line 22 is not formed in the example by the lance 3 or by the lance shank 5 designed as a tubular body, but by a separate pipe component which is laid in the lance shank 5.
  • the fuel line 22 extends eccentrically within the lance shaft 5 with respect to the longitudinal central axis 7. In this way, both the piston rod 16 and the fuel line 22 are accommodated in the lance shank 5 designed as a tubular body.
  • the fuel supply 9 here also comprises a fuel ring channel 23, which is arranged in the lance head 4.
  • the fuel ring channel 23 surrounds the receiving cylinder 15 coaxially.
  • the fuel ring channel 23 is arranged coaxially in the lance head 4.
  • the fuel ring channel 23 is connected to the fuel line 22.
  • the fuel ring channel 23 is connected to the fuel nozzles 6, in each case via a fuel connection channel 24.
  • These fuel connection channels 24 preferably extend axially in the lance head 4, ie parallel to the longitudinal center axis 7.
  • Fuel connection channels 24 are provided as oxidizer inlet openings 20.
  • the fuel connection channels 24 and the Oxidatoreinlassö réelleen 20 are then arranged alternately in the circumferential direction.
  • the Oxidatorzu operation 11 is connected via their Oxidatoreinlassö réelleen 20 to an annular space 25 which is formed in the burner 1 and is connected via at least one feed line 26 to the Oxidatormakers 12.
  • the supply of the oxidizer is thus carried out with respect to the longitudinal central axis 7 of the lance 3 radially from the outside.
  • the oxidant stream can be guided radially inwards via the oxidizer inlet openings 20, the control chamber 19 and the oxidizer chamber 21, specifically in such a way that it flows centrally out of the lance head 4 in the axial direction via the oxidizer outlet opening 8 and flows into the mixing section 2.
  • the fuel is supplied axially through the lance 3.
  • the supplied fuel is distributed via the fuel ring channel 23 within the lance head 4 to a radially further outward radius, whereby it is the relative to the Oxidatoraustrittsö réelle 8 radially further outwardly disposed fuel nozzles 6 can be fed.
  • the lance 3 is additionally equipped at its lance end 17 remote from the lance head 4 with a fuel collecting space 27, which is connected via a supply line 28 to the fuel supply 10. At this Brennstoffsammeiraum 27 also the at least one fuel line 22 is connected.
  • the fuel nozzles 6 are designed so that they inject the fuel with respect to the axial direction of the lance 3, ie with respect to the longitudinal central axis 7, inclined in the mixing section 2.
  • the fuel nozzles 6 inject the fuel obliquely into the mixing section 2 in relation to a central longitudinal plane of the lance 3 containing the longitudinal central axis 7.
  • the fuel is injected in the direction or in the opposite direction of a swirl flow, the at a tangential introduction of Hauptoxidatorströmung formed in the mixing section 2.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lanze (3) zum Einbringen eines Brennstoffs in einen Brennraum (2) eines Brenners (1 ), insbesondere einer Turbinenanlage, umfassend einen Lanzenkopf (4), eine Brennstoffzuführung (9), eine Oxidatorzuführung (11 ) und eine Steuereinrichtung (13). Der Lanzenkopf (4) ragt in den Brennraum (2) hinein und weist zumindest eine Brennstoffdüse (6) sowie wenigstens eine Oxidatoraustrittsöffnung (8) auf. Die Brennstoffzuführung (9) verläuft in der Lanze (3) und ist mit der wenigstens einen Brennstoffdüse (6) verbunden. Die Oxidatorzuführung (11 ) verläuft im Lanzenkopf (4) und ist mit der wenigstens einen Oxidatoraustrittsöffnung (8) verbunden. Die Steuereinrichtung (13) ist zum Steuern eines Strömungsquerschnitts der Oxidatorzuführung (11) ausgestaltet. Um die Lanze (3) zu verbessern, weist die Steuereinrichtung (13) einen im Lanzenkopf (4) hubverstellbar angeordneten Steuerkolben (14) zum hubabhängigen Steuern des Strömungsquerschnitts der Oxidatorzuführung (11 ) auf.

Description

Brennerlanze
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Lanze zum Einbringen eines Brennstoffs in eine Mischstrecke eines Vormischbrenners, insbesondere eines Vormischbrenners einer Gasturbinenanlage, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der DE 100 50 248 A1 ist eine derartige Lanze bekannt, die einen Lanzenkopf, eine Brennstoffzuführung, eine Oxidatorzuführung und eine Steuereinrichtung aufweist. Der Lanzenkopf ragt im montierten Zustand in die Mischstrecke des Brenners hinein und weist zumindest eine Brennstoffdüse zum Eindüsen des Brennstoffs in die Mischstrecke sowie wenigstens eine Oxidatoraustrittsöffnung zum Einbringen eines Oxidators in die Mischstrecke auf. Die Brennstoffzuführung verläuft innerhalb der Lanze und ist mit der wenigstens einen Brennstoffdüse verbunden. Die Oxidatorzuführung verläuft innerhalb des Lanzenkopfs und ist mit der wenigstens einen Oxidatoraustrittsöffnung verbunden. Die Steuereinrichtung dient zum Steuern eines Strömungsquerschnitts der Oxidatorzuführung. Bei der bekannten Lanze ist nur eine einzige im Lanzenkopf zentral angeordnete Brennstoffdüse vorgesehen, aus der der Brennstoff an der Stirnseite des Lanzenkopfs axial in die Mischstrecke einströmt. Des weiteren ist bei der bekannten Lanze nur eine einzige Oxidatoraustrittsöffnung vorgesehen, die ringförmig ausgestaltet ist und welche die Brennstoffdüse koaxial umschließt. Im Betrieb strömt der Oxidatorstrom axial aus der Oxidatoraustrittsöffnung aus, umströmt dabei einen die Brennstoffdüse aufweisenden zentralen Abschnitt des Lanzenkopfs und umhüllt in der Mischstrecke den eingedüsten Brennstoff. Bei der bekannten Lanze weist die Steuereinrichtung eine Drehschieberhülse auf, die mehrere radiale Steueröffnungen enthält. Die Drehschieberhülse ist außen an einem Mantel des Lanzenkopfs drehbar gelagert. Besagter Mantel umschließt dabei einen Ringraum, der auslassseitig die ringförmige Oxidatoraustrittsöffnung bildet. Im Mantel sind mehrere radiale Oxidatoreinlassöffnungen vorgesehen. Durch Drehen der Drehschieberhülse lassen sich die Oxidatoreinlassöffnungen des Mantels mit den Steueröffnungen der Drehschieberhülse mehr oder weniger in Überdeckung bringen, wodurch sich der Strömungsquerschnitt der Oxidatorzuführung steuern lässt.
Der Aufwand zur Realisierung einer Steuerung der über den Lanzenkopf zugeführten Oxidatormenge ist bei der bekannten Lanze vergleichsweise groß.
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, alternative Ausführungsform anzugeben, die sich durch einen vergleichsweise preiswerten Aufbau bzw. durch eine vereinfachte Realisierbarkeit auszeichnet. Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Steuerung der über die Lanze zuführbaren Oxidatormenge mit Hilfe eines Steuerkolbens zu realisieren, der hierzu im Lanzenkopf hubverstellbar angeordnet ist. In Abhängigkeit des Hubs des Steuerkolbens lässt sich somit der Strömungsquerschnitt zum Öffnen und Schließen steuern. Eine derartige Hubbewegung des Steuerkolbens lässt sich vergleichsweise einfach realisieren. Der Herstellungsaufwand der Lanze ist dadurch reduziert.
Beispielsweise kann der Steuerkolben nach einer bevorzugten Ausführungsart axial mit einer Kolbenstange verbunden sein, die sich innerhalb der Lanze erstreckt, und die insbesondere an einem vom Lanzenkopf entfernten Lanzenende mit einem Steuerkolbenantrieb verbunden ist. Bei dieser Bauweise kann der Steuerkolbenantrieb relativ weit vom heißen Brenner entfernt angeordnet werden, wodurch der Aufwand zur Kühlung des Steuerkolbenantriebs reduziert ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Oxidatorzuführung einen im Lanzenkopf angeordneten Steuerraum aufweisen, der stromauf der wenigstens einen Oxidatoraustrittsöffnung angeordnet ist und der zumindest eine radiale Oxidatoreinlassöffnung aufweist. Vorzugsweise ist dann der Steuerkolben in diesem Steuerraum hubverstellbar angeordnet, derart, dass er hubabhängig die wenigstens eine Oxidatoreinlassöffnung mehr oder weniger verschließt, also zum Öffnen und Schließen steuert. Bei dieser Bauweise kann durch die axiale Überlappung zwischen dem Steuerkolben und der wenigstens einen Oxidatoreinlassöffnung der durchströmbare Querschnitt der Oxidatorzuführung gesteuert werden. Dabei zeichnet sich dieser Aufbau durch eine hohe Zuverlässigkeit aus.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Brennstoffzuführung zumindest eine Brennstoffleitung, die innerhalb der Lanze verläuft. In der Lanze sind somit vorzugsweise die Kolbenstange und die wenigstens eine Brennstoffleitung untergebracht.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lanze ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Fig. 1 zeigt einen stark vereinfachten Axialschnitt durch einen Brenner im Bereich einer Lanze, wobei die Lanze axial verkürzt dargestellt ist.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend Fig. 1 umfasst ein Brenner 1 eine Mischstrecke 2. Der Brenner 1 , der beispielsweise ein Vormischbrenner ist, kann vorzugsweise ein Bestandteil einer Turbinenanlage, vorzugsweise einer Gasturbinenanlage sein. Im dargestellten Kopfbereich des Brenners 1 ist dieser mit einer Lanze 3 ausgestattet, die einen Lanzenkopf 4 und einen Lanzenschaft 5 aufweist. Der Lanzenschaft 5 ist hier in seiner Längsrichtung, also axial unterbrochen und somit extrem verkürzt dargestellt.
Der Lanzenkopf 4 ist im gezeigten montierten Zustand am Brenner 1 so angeordnet, dass er in die Mischstrecke 2 hineinragt. Bevorzugt ist dabei eine koaxiale Anordnung von Lanze 3 und Brenner 1 , so dass der Lanzenkopf 4 koaxial in die Mischstrecke 2 hineinragt. Der Lanzenkopf 4 weist zumindest eine Brennstoffdüse 6 auf, mit deren Hilfe Brennstoff in die Mischstrecke 2 eingedüst werden kann. In Fig. 1 sind exemplarisch zwei derartige Brennstoffdüsen 6 dargestellt. Vorzugsweise weist der Lanzenkopf 4 vier derartige Brennstoffdüsen 6 auf, die in Umfangsrichtung verteilt und zueinander beabstandet angeordnet sind. Grundsätzlich ist jedoch die Anzahl der Brennstoffdüsen 6 beliebig. Bemerkenswert ist, dass die Brennstoffdüsen 6 am Lanzenkopf 4 an einem radial außen liegenden Randbereich angeordnet sind. Die Brennstoffdüsen 6 sind somit bezüglich einer Längsmittelachse 7 der Lanze 3 exzentrisch, also mit einem Abstand bzw. auf einem bestimmten Radius angeordnet.
Des weiteren ist der Lanzenkopf 4 mit wenigstens einer Oxidatoraustrittsöffnung 8 ausgestattet, mit deren Hilfe ein Oxidator in die Mischstrecke 2 eingebracht werden kann. Im vorliegenden Beispiel weist der Lanzenkopf 4 nur eine einzige Oxidatoraustrittsöffnung 8 auf. Bemerkenswert ist, dass die Oxidatoraustrittsöffnung 8 am Lanzenkopf 4 zentral angeordnet ist. Die Oxidatoreinleitung in die Mischstrecke 2 erfolgt somit an der axialen Stirnseite des Lanzenkopfs 4 in axialer Richtung. Des weiteren sind somit die Brennstoffdüsen 6 bezüglich der Oxidatoraustrittsöffnung 8 radial nach außen versetzt angeordnet.
Es hat sich gezeigt, dass die radial nach außen versetzten Brennstoffdüsen 6 insbesondere bei Brennern mit größerer Leistung eine bessere Durchmischung des eingedüsten Brennstoffs mit dem an anderer Stelle in die Mischstrecke 2 eingeleiteten Hauptoxidatorstrom bewirken. Hierdurch wird eine schadstoffarme Verbrennung begünstigt. Gleichzeitig kann der über den Lanzenkopf 4 zugeführte Oxidator für den Lanzenkopf 4 eine hinreichende Kühlung und Spülung sicherstellen. Bei dem über die Lanze 3 zugeführten Brennstoff handelt es sich vorzugsweise um einen Flüssigbrennstoff, beispielsweise Heizöl. Ebenso kann ein gasförmiger Brennstoff, wie zum Beispiel Erdgas, zugeführt werden. Beim Oxidator handelt es sich regelmäßig um ein sauerstoffhaltiges Gas, vorzugsweise um Luft.
Die Lanze 3 weist außerdem eine Brennstoffzuführung 9 auf, die in der Lanze 3 verläuft und die im montierten Zustand an eine durch einen Pfeil symbolisierte Brennstoffversorgung 10 angeschlossen ist. Die Brennstoffzuführung 9 ist mit den Brennstoffdüsen 6 verbunden. Des weiteren umfasst die Lanze 3 eine Oxidatorzuführung 11 , die innerhalb des Lanzenkopfs 4 verläuft und die im montierten Zustand an eine durch einen Pfeil symbolisierte Oxidatorversorgung 12 angeschlossen ist. Die Oxidatorzuführung 11 ist mit der Oxidatoraustrittsöffnung 8 verbunden.
Die Lanze 3 ist noch mit einer Steuereinrichtung 13 ausgestattet, mit deren Hilfe ein Strömungsquerschnitt der Oxidatorzuführung 11 und somit die durch den Lanzenkopf 4 in die Mischstrecke 2 einleitbare Oxidatormenge steuerbar ist. Die Steuereinrichtung 13 umfasst einen Steuerkolben 14, der im Lanzenkopf 4 hubverstellbar angeordnet ist. Dabei ist der Steuerkolben 14 innerhalb der Oxidatorzuführung 11 so angeordnet, dass er in Abhängigkeit seines Hubs den Strömungsquerschnitt der Oxidatorzuführung 11 steuern kann. Im gezeigten Beispiel ist der Steuerkolben 14 in der Lanzenlängsrichtung, also parallel zur Längsmittelachse 7 hubverstellbar angeordnet. Vorzugsweise ist der Steuerkolben 14 koaxial zur Längsmittelachse 7 angeordnet.
Bei der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist im Lanzenkopf 4 außerdem ein Aufnahmezylinder 15 ausgebildet, in dem der Steuerkolben 14 hubverstellbar gelagert ist. Vorzugsweise ist auch dieser Aufnahmezylinder 15 koaxial zur Längsmittelachse 7 angeordnet. Die Steuereinrichtung 13 umfasst eine Kolbenstange 16, die mit dem Steuerkolben 14 axial verbunden ist, und zwar an dessen von der Oxidatoraustrittsöffnung 8 abgewandten Ende. Die Kolbenstange 16 erstreckt sich innerhalb der Lanze 3 bzw. innerhalb des Lanzenschafts 5, der hierzu als Rohrkörper ausgestaltet ist. Bevorzugt ist die hier gezeigte Ausführungsform, bei welcher sich die Kolbenstange 16 innerhalb der Lanze 3 bzw. innerhalb des als Rohrkörper ausgestalteten Lanzenschafts 5 zentrisch, also koaxial zur Längsmittelachse 7 erstreckt. An ihrem vom Lanzenkopf 4 entfernten Lanzenende 17 ist die Lanze 3 mit einem Steuerkolbenantrieb 18 versehen, der auf geeignete Weise mit der Kolbenstange 16 antriebsverbunden ist und mit dem die Kolbenstange 16 axial verstellbar ist. Beispielsweise handelt es sich bei der Antriebskopplung zwischen Kolbenstange 16 und Steuerkolbenantrieb 18 um eine Art Spindeltrieb.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist der Steuerkolben 14 an seinem der Oxidatoraustrittsöffnung 8 zugewandten Ende axial angespitzt. Beispielsweise ist dieses Ende als Konus oder Kegel ausgeführt.
Die Oxidatorzuführung 11 umfasst einen Steuerraum 19, der im Lanzenkopf 4 vorzugsweise zentral angeordnet ist. In diesem Steuerraum 19 ist der Steuerkolben 14 hubverstellbar angeordnet. Hierzu schließt der Steuerraum 19 axial an den Aufnahmezylinder 15 an, der Aufnahmezylinder 15 ist hierzu zum Steuerraum 19 hin axial offen. Gleichzeitig bildet der Steuerraum 19 eine axiale Verlängerung des Aufnahmezylinders 15. Der Steuerraum 19 ist stromauf der Oxidatoraustrittsöffnung 8 angeordnet und weist wenigstens eine radiale Oxidatoreinlassöffnung 20 auf. In der gezeigten Schnittdarstellung sind nur zwei derartige Oxidatoreinlassöffnungen 20 erkennbar. Grundsätzlich kann eine einzige Oxidatoreinlassöffnung 20 ausreichend sein. Bevorzugt ist eine Ausführungsform mit vier Oxidatoreinlassöffnungen 20, die in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind.
Vorzugsweise sind die Oxidatoreinlassöffnungen 20 wie hier als axiale Langlöcher ausgestaltet, das heißt, ihre axiale Erstreckung ist größer als ihre Erstreckung in Umfangsrichtung. Die axiale Länge der Oxidatoreinlassöffnungen 20 ist auf den vom Steuerkolben 14 durchfahrbaren axialen Hub so abgestimmt, dass der Steuerkolben 14 durch radiale Überlappung der Oxidatoreinlassöffnungen 20 diese in Abhängigkeit seines Hubs mehr oder weniger öffnen oder verschließen kann. Bei maximal in den Aufnahmezylinder 15 eingefahrenem Steuerkolben 14 sind die Oxidatoreinlassöffnungen 20 maximal, vorzugsweise zu 100%, geöffnet. Bei maximal aus dem Aufnahmezylinder 15 ausgefahrenem Steuerkolben 14 sind die Oxidatoreinlassöffnungen 20 maximal, vorzugsweise zu 100%, verschlossen. Bei mehr oder weniger geöffneten Oxidatoreinlassöffnungen 20 unterstützt das angespitzte Ende des Steuerkolbens 14 eine möglichst widerstandsarme Umlenkung der Oxidatorströmung.
Die Oxidatorzuführung 11 umfasst bei der hier gezeigten Ausführungsform außerdem einen Oxidatorraum 21 , der sich axial an den Steuerraum 19 anschließt und der an seinem vom Steuerraum 19 abgewandten Ende die Oxidatoraustrittsöffnung 8 bildet. Auch der Oxidatorraum 21 ist vorzugsweise zentral, also koaxial zur Längsmittelachse 7 im Lanzenkopf 4 angeordnet. Die Brennstoffzuführung 9 umfasst hier zumindest eine Brennstoffleitung 22, die im Inneren der Lanze 3 bzw. im Inneren des Lanzenschafts 5 angeordnet ist. Gezeigt ist hier nur eine einzige Brennstoffleitung 22. Selbstverständlich können auch mehr als eine Brennstoffleitung 22 in der Lanze 3 angeordnet sein. Bemerkenswert ist, dass die Brennstoffleitung 22 im Beispiel nicht durch die Lanze 3 bzw. durch den als Rohrkörper ausgestalteten Lanzenschaft 5 gebildet ist, sondern durch ein separates Rohrbauteil, das im Lanzenschaft 5 verlegt ist. Im Unterschied zur Kolbenstange 16 erstreckt sich die Brennstoffleitung 22 dabei innerhalb des Lanzenschafts 5 bezüglich der Längsmittelachse 7 exzentrisch. Auf diese Weise sind in dem als Rohrkörper ausgestalteten Lanzenschaft 5 sowohl die Kolbenstange 16 als auch die Brennstoffleitung 22 untergebracht.
Die Brennstoffzuführung 9 umfasst hier außerdem einen Brennstoffringkanal 23, der im Lanzenkopf 4 angeordnet ist. Dabei umschließt der Brennstoffringkanal 23 den Aufnahmezylinder 15 koaxial. Hierzu ist der Brennstoffringkanal 23 im Lanzenkopf 4 koaxial angeordnet. Der Brennstoffringkanal 23 ist an die Brennstoffleitung 22 angeschlossen. Des weiteren ist der Brennstoffringkanal 23 mit den Brennstoffdüsen 6 verbunden, und zwar jeweils über einen Brennstoffverbindungskanal 24. Diese Brennstoffverbindungskanäle 24 erstrecken sich dabei vorzugsweise im Lanzenkopf 4 axial, also parallel zur Längsmittelachse 7. Der Schnittverlauf in Fig. 1 erfasst mehrere Ebenen, um sowohl eine der Oxidatoreinlassöffnungen 20 als auch einen der Brennstoffverbindungskanäle 24 im Schnitt darstellen zu können.
Vorzugsweise sind gleich viele Brennstoffdüsen 6 und
Brennstoffverbindungskanäle 24 vorgesehen wie Oxidatoreinlassöffnungen 20. Im Zylinderkopf 4 sind dann die Brennstoffverbindungskanäle 24 und die Oxidatoreinlassöffnungen 20 in Umfangsrichtung einander abwechselnd angeordnet. Die Oxidatorzuführung 11 ist über ihre Oxidatoreinlassöffnungen 20 an einen Ringraum 25 angeschlossen, der im Brenner 1 ausgebildet ist und über wenigstens eine Zuführungsleitung 26 mit der Oxidatorversorgung 12 verbunden ist. Die Zuleitung des Oxidators erfolgt somit bezüglich der Längsmittelachse 7 der Lanze 3 radial von außen. Über die Oxidatoreinlassöffnungen 20, den Steuerraum 19 und den Oxidatorraum 21 kann der Oxidatorstrom radial nach innen geführt werden, und zwar so, dass er am Ende über die Oxidatoraustrittsöffnung 8 zentral in axialer Richtung aus dem Lanzenkopf 4 ausströmt und in die Mischstrecke 2 einströmt. Im Unterschied dazu wird der Brennstoff durch die Lanze 3 axial zugeführt. Dabei wird der zugeführte Brennstoff über den Brennstoffringkanal 23 innerhalb des Lanzenkopfs 4 auf einen radial weiter außen liegenden Radius verteilt, wodurch er den bezüglich der Oxidatoraustrittsöffnung 8 radial weiter außen angeordneten Brennstoffdüsen 6 zuführbar ist.
Die Lanze 3 ist an ihrem vom Lanzenkopf 4 entfernten Lanzenende 17 zusätzlich mit einem Brennstoffsammeiraum 27 ausgestattet, der über eine Zuführungsleitung 28 an die Brennstoffversorgung 10 angeschlossen ist. An diesen Brennstoffsammeiraum 27 ist außerdem die wenigstens eine Brennstoffleitung 22 angeschlossen.
Vorzugsweise sind die Brennstoffdüsen 6 so ausgestaltet, dass sie den Brennstoff gegenüber der Axialrichtung der Lanze 3, also bezüglich der Längsmittelachse 7, geneigt in die Mischstrecke 2 eindüsen. Bevorzugt ist außerdem eine Ausführungsform, bei der die Brennstoffdüsen 6 den Brennstoff gegenüber einer die Längsmittelachse 7 enthaltenden zentralen Längsebene der Lanze 3 geneigt in die Mischstrecke 2 eindüsen. Hierdurch wird der Brennstoff in Richtung bzw. in Gegenrichtung einer Drallströmung eingedüst, die bei einer tangentialen Einleitung der Hauptoxidatorströmung in die Mischstrecke 2 entsteht.
Bezugszeichenliste
Brenner
Mischstrecke
Lanze
Lanzenkopf
Lanzenschaft
Brennstoffdüse
Längsmittelachse
Oxidatoraustrittsöffnung
Brennstoffzuführung
Brennstoffversorgung
Oxidatorzuführung
Oxidatorversorgung
Steuereinrichtung
Steuerkolben
Aufnahmezylinder
Kolbenstange
Lanzenende
Steuerkolbenantrieb
Steuerraum
Oxidatoreinlassöffnung
Oxidatorraum
Brennstoffleitung
Brennstoffringkanal Brennstoffverbindungskanal
Ringraum
Zuführungsleitung
Brennstoffsammeiraum
Zuführungsleitung

Claims

Patentansprüche
1. Lanze zum Einbringen eines Brennstoffs in eine Mischstrecke (2) eines Vormischbrenners (1), insbesondere eines Vormischbrenners einer Gasturbinenanlage,
- mit einem Lanzenkopf (4), der im montierten Zustand in die Mischstrecke (2) des Brenners hineinragt, der wenigstens eine Brennstoffdüse (6) zum Eindüsen des Brennstoffs in die Mischstrecke (2) aufweist und der wenigstens eine Oxidatoraustrittsöffnung (8) zum Einbringen eines Oxidators in die Mischstrecke (2) aufweist,
- mit einer in der Lanze (3) verlaufenden Brennstoffzuführung (9), die mit der wenigstens einen Brennstoffdüse (6) verbunden ist,
- mit einer im Lanzenkopf (4) verlaufenden Oxidatorzuführung (11 ), die mit der wenigstens einen Oxidatoraustrittsöffnung (8) verbunden ist,
- mit einer Steuereinrichtung (13) zum Steuern eines Strömungsquerschnitts der Oxidatorzuführung (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (13) einen im Lanzenkopf (4) hubverstellbar angeordneten Steuerkolben (14) zum hubabhängigen Steuern des Strömungsquerschnitts der Oxidatorzuführung (11) aufweist.
2. Lanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Steuerkolben (14) in der Lanzenlängsrichtung hubverstellbar angeordnet ist, und/oder - dass im Lanzenkopf (4) ein Aufnahmezylinder (15) angeordnet ist, in dem der Steuerkolben (14) hubverstellbar angeordnet ist, und/oder
- dass der Steuerkolben (14) axial mit einer Kolbenstange (16) verbunden ist, die sich innerhalb der Lanze (3) erstreckt, und/oder
- dass die Kolbenstange (16) an einem vom Lanzenkopf (4) entfernten Lanzenende (17) mit einem Steuerkolbenantrieb (18) verbunden ist, und/oder
- dass sich die Kolbenstange (16) innerhalb der Lanze (3) zentrisch erstreckt, und/oder
- dass die Lanze (3) einen Rohrkörper (5) aufweist, innerhalb welchem die Kolbenstange (16) verläuft, und/oder
- dass der Steuerkolben (14) ein axial zugespitztes Ende aufweist.
3. Lanze nach Anspruch 1 oder 2, d a d u rc h g e ke n n z e i c h n et ,
- dass die Oxidatorzuführung (11) einen im Lanzenkopf (4) angeordneten Steuerraum (19) aufweist, der stromauf der wenigstens einen Oxidatoraustrittsöffnung (8) angeordnet ist und wenigstens eine radiale Oxidatoreinlassöffnung (20) aufweist, und/oder
- dass der Steuerkolben (14) im Steuerraum (19) hubverstellbar angeordnet ist und hubabhängig die wenigstens eine Oxidatoreinlassöffnung (20) mehr oder weniger verschließt, und/oder
- dass die wenigstens eine Oxidatoreinlassöffnung (20) als axiales Langloch ausgestaltet ist, und/oder
- dass mehrere Oxidatoreinlassöffnungen (20) vorgesehen sind, die am Lanzenkopf (4) in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind, und/oder
- dass die Oxidatorzuführung (11) einen im Lanzenkopf (4) angeordneten Oxidatorraum (21) aufweist, der einen Endes die wenigstens eine Oxidatoraustrittsöffnung (8) bildet und anderen Endes an den Steuerraum (19) anschließt, und/oder - dass die wenigstens eine Oxidatoraustrittsöffnung (8) am Lanzenkopf (4) zentral angeordnet ist, und/oder
- dass nur eine einzige Oxidatoraustrittsöffnung (8) vorgesehen ist.
4. Lanze nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmezylinder (15) axial an den Steuerraum (19) angrenzt und axial zum Steuerraum (19) hin offen ist.
5. Lanze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Brennstoffzuführung (9) zumindest eine Brennstoffleitung (22) aufweist, die innerhalb der Lanze (3) verläuft, und/oder
- dass sich die wenigstens eine Brennstoffleitung (22) innerhalb der Lanze (3) exzentrisch erstreckt, und/oder
- dass die Lanze (3) einen Rohrkörper (5) aufweist, innerhalb dem die wenigstens eine Brennstoffleitung (22) verläuft, und/oder
- dass die Brennstoffzuführung (9) einen Brennstoffringkanal (23) aufweist, der im Lanzenkopf (4) angeordnet ist, und/oder
- dass der Brennstoffringkanal (23) mit der wenigstens einen Brennstoffleitung (22) verbunden ist, und/oder
- dass der Brennstoffringkanal (23) über wenigstens einen Brennstoffverbindungskanal (24) mit der wenigstens einen Brennstoffdüse (6) verbunden ist, und/oder
- dass sich der jeweilige Brennstoffverbindungskanal (24) im Lanzenkopf (4) axial erstreckt, und/oder
- dass mehrere Brennstoffdüsen (6) vorgesehen sind, die am Lanzenkopf (4) in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind.
6. Lanze nach Anspruch 5, sowie nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
- dass sich der jeweilige Brennstoffverbindungskanal (24) im Lanzenkopf (4) in Umfangsrichtung zwischen zwei Oxidatoreinlassöffnungen (20) erstreckt, und/oder
- dass Brennstoffverbindungskanäle (24) und Oxidatoreinlassöffnungen (20) in Umfangsrichtung einander abwechselnd im Lanzenkopf (4) angeordnet sind, und/oder
- dass die wenigstens eine Brennstoffdüse (6) bezüglich der wenigstens einen Oxidatorauslassöffnung (8) radial nach außen versetzt am Lanzenkopf (4) angeordnet ist.
7. Lanze nach den Ansprüchen 5 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffringkanal (23) den Aufnahmezylinder (15) koaxial umschließt.
8. Lanze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Brennstoffdüse (6) so ausgestaltet ist, dass sie den Brennstoff gegenüber der Axialrichtung der Lanze (3) und/oder gegenüber einer zentralen Längsebene der Lanze (3) geneigt in die Mischstrecke (2) eindüst.
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