EP1943464A1 - Brennstofflanze - Google Patents

Brennstofflanze

Info

Publication number
EP1943464A1
EP1943464A1 EP06819090A EP06819090A EP1943464A1 EP 1943464 A1 EP1943464 A1 EP 1943464A1 EP 06819090 A EP06819090 A EP 06819090A EP 06819090 A EP06819090 A EP 06819090A EP 1943464 A1 EP1943464 A1 EP 1943464A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
lance
head
lance head
supply
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Withdrawn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
EP06819090A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
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 EP1943464A1 publication Critical patent/EP1943464A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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 combustion chamber of a burner provided with a swirl generator, in particular a turbine system, having the features of the preamble of claim 1.
  • DE 100 50 248 A1 discloses such a lance for a burner consisting essentially of a swirl generator for generating a wired combustion air stream and means for introducing at least one quantity of fuel into this combustion air stream, which comprises a lance head, a fuel feed and an oxidizer feed.
  • the lance head protrudes in the assembled state into the combustion chamber, has a central fuel nozzle for injecting the fuel into the combustion chamber and also has an oxidizer outlet opening for introducing the oxidizer into the combustion chamber.
  • the fuel supply runs in the lance and is connected to the fuel nozzle.
  • the Oxidatorzu operation runs in the lance head and is connected to the Oxidatoraustrittsö Maschinen Maschinenschen.
  • the fuel nozzle is arranged centrally on the lance head, so that the drain Fuel coaxial with the longitudinal axis of the lance enters the combustion chamber.
  • the Oxidatoraustrittsö réelle is designed annular and surrounds the fuel nozzle coaxially.
  • the oxidizer also exits axially from the lance head and envelops the injected fuel.
  • the above the lance head additionally introduced into the combustion chamber oxidizer, usually air, is needed for cooling and rinsing the lance head.
  • 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 is characterized in particular by an improved fuel injection.
  • the invention is based on the general idea of arranging the at least one oxidizer outlet opening centrally on the lance head and arranging the at least one fuel nozzle offset radially outwards.
  • the injection of the fuel is thus carried out on a relatively large radius with respect to the longitudinal central axis of the lance.
  • the injection of the fuel takes place radially outside of the centrally supplied via the lance oxidizer.
  • the two media oxidizer / fuel
  • the fuel supply may comprise a fuel line running in the lance.
  • a fuel ring channel arranged in the lance head can be provided, to which, on the one hand, the at least one fuel nozzle is connected and which, on the other hand, is connected to the fuel line via fuel connection channels.
  • the at least one fuel nozzle can be displaced radially outward to a particularly great extent, since the fuel channels can be designed in such a way that they can connect the centrally arranged fuel line to the fuel ring channel, which can virtually have an arbitrarily large radius.
  • a common fuel ring channel also several separate supply channels may be provided, each connecting one of the fuel nozzles with one of the fuel connection channels.
  • the Oxidatorzu operation has a centrally arranged in the lance head Oxidatorraum whose open towards the combustion chamber end forms the Oxidatoraustrittsö réelle.
  • a plurality of oxidizer connection channels can be provided, which each connect the oxidizer space to an oxidant inlet opening arranged radially on the outside of the lance head.
  • FIG. 1 is a greatly simplified axial section through a burner equipped with a lance and a swirl generator burner in the region of a lance head in a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a greatly simplified axial section through a burner equipped with a lance and a swirl generator in the region of a lance head in a second embodiment of the invention. Ways to carry out the invention
  • a burner 1 which is shown only partially, and which is equipped with a swirl generator, not shown, for generating a wired combustion air flow, comprises a mixing section 2, which leads to a combustion chamber (not shown).
  • This mixing section 2 can also be referred to as burner space.
  • the burner 1 may be a component of a turbine system, in particular a gas turbine plant.
  • the burner 1 is provided in the inlet-side head section shown here with a lance 3, with the aid of which a fuel can be introduced into the mixing section 2.
  • lances are separate components, which are arranged displaceably in the burner and, if appropriate, can also be pulled out relatively easily.
  • the lance 3 comprises a lance shank 4 and a lance head 5, which is arranged or formed on the lance shank 4 at the end associated with the burner 1.
  • the lance head 5 protrudes into the mixing section 2.
  • Preferred here is the embodiment shown here, in which the lance 3 and the burner 1 are arranged coaxially with each other, so that the lance head 5 protrudes coaxially into the mixing section 2.
  • the lance head 5 has at least one fuel nozzle 6, by means of which the fuel can be injected into the mixing section 2.
  • the lance head 5 has a plurality of such fuel nozzles 6, of which in Fig. 1, however, only one is visible due to the selected cutting plane.
  • the fuel nozzles 6 are distributed in the circumferential direction and spaced from each other in the circumferential direction on the lance head 5.
  • the lance head 5 is equipped with four such fuel nozzles 6, which are arranged offset in the circumferential direction in each case by 90 ° to each other.
  • the lance head 5 is equipped with at least one Oxidatoraustrittsö réelle 7, with the aid of an oxidizer can be introduced into the mixing section 2.
  • only a single such Oxidatorauslingersö réelle 7 is provided.
  • the fuel is preferably a liquid fuel, such as e.g. Heating oil. It may also be a gaseous fuel, e.g. Natural gas, act.
  • the oxidizer is preferably a gaseous oxidizer, usually air.
  • the lance 3 is also equipped with a fuel supply 8, which is connected to the fuel nozzles 6.
  • the fuel supply 8 extends within the lance 3 and is connected in the mounted state to an external fuel supply 9, which is symbolized in Fig. 1 by an arrow.
  • the lance 3 comprises an oxidizer feed line 10.
  • the oxidizer feed line 10 is connected to the oxidizer outlet opening 7 and extends within the lance head 5.
  • the oxidizer feed line 10 is connected to an external oxidizer supply 11, which is symbolized by an arrow and which, for example, is at least a running in the burner 1 Oxidator ein 12 includes.
  • the lance 3 shown here has the special feature that the Oxidatoraustrittsö réelle 7 is centrally located on the lance head 5.
  • the oxidizer can be introduced coaxially to the longitudinal central axis 13 of the lance 3 into the mixing section 2.
  • the fuel nozzles 6 are arranged radially outwardly offset with respect to the oxidizer outlet opening 7 on the lance head 5.
  • the fuel can be injected into the combustion chamber 2 during operation over a relatively large radius.
  • fuel injection radially outside the centrally supplied oxidizer The injection of the fuel itself takes place at said location then preferably with an angle in the radial and tangential direction, which will be explained in more detail below.
  • the oxidizer supplied via the lance 3 can fulfill its cooling function and cleaning function.
  • the oxidizer introduced for cooling and cleaning via the lance head 5 does not affect the fuel injection.
  • the fuel injection which takes place radially further outwards, results in improved mixing with a main oxidizer stream, which is introduced into the mixing section 2 at a point which is not shown.
  • the fuel feed 8 comprises a fuel line 14 extending in the lance 3.
  • the lance shank 4 is designed as a tube.
  • the fuel line 14 is connected to the fuel supply 9.
  • the fuel supply 8 may have a fuel ring channel 15, which is arranged in the lance head 5.
  • the fuel ring passage 15 is connected to the fuel nozzles 6.
  • the fuel ring channel 15 has a larger diameter than the fuel line 14 and the lance shank 4.
  • Supply channels or bores may be provided which are each connected to one of the fuel nozzles 6. These supply channels can compare the flow to the respective fuel nozzle 6 and avoid so-called dead water areas near the fuel nozzles 6, which simplifies the flushing when switching off the fuel supply.
  • the fuel supply 8 more
  • Fuel connection channels 16 are arranged in the lance head 5, specifically in a transition section 17, with which the lance head 5 merges into the lance shaft 4.
  • This transition section 17 is designed conical here and has a lance shank 4 decreasing cross-section. With the aid of the conical transition section 17 it is achieved that the lance head 5 outside the transition section 17 has a significantly larger outer cross section than the lance shaft 4. This allows for the positioning of the fuel nozzles 6 reach a particularly large radius or distance to the longitudinal central axis 13.
  • the fuel communication passages 16 extend axially and radially outwardly from the centrally located fuel conduit 14 to the fuel ring passage 15.
  • a plurality of, e.g. three, fuel connection channels 16 provided to supply the fuel ring channel 15 with sufficient fuel.
  • a single fuel connection channel 16 may be sufficient. If the above-mentioned separate supply channels or bores are used instead of the common fuel ring channel 15, these are each connected to such a fuel connection channel 16.
  • the oxidizer supply 10 preferably comprises an oxidizer chamber 18, which has an axial end which is open toward the mixing section 2 and forms the oxidizer outlet opening 7.
  • the oxidizer 18 is arranged centrally in the lance head 5 for this purpose.
  • the Oxidatorraum 18 has a corresponding cylinder portion adjacent to the Oxidatoraustrittsö réelle 7.
  • the oxidizer space 18 indicates the end remote from the Oxidatoraustrittsö réelle 7 a truncated cone portion.
  • the Oxidatorzu operation 10 also includes a plurality of Oxidatoreinlassö réelle 19, which are each arranged radially outward on the lance head 5, preferably at its transition region 17. These Oxidatoreinlassö réelleen 19 may be connected, for example via the Oxidator effeten 12 to the Oxidatormers 11.
  • the Oxidatorzu arrangement 10 includes a plurality of OxidatorENSskanäle 20, each connect one of the Oxidatoreinlassö réelleen 19 with the Oxidatorraum 18 and open for this purpose in the truncated cone section.
  • the Oxidatorinformationskanäle 20 are arranged in the lance head 5 and preferably in its transition section 17. In this case, the Oxidatorimple 20 extend from the respective outer Oxidatoreinlassö réelle 19 axially and radially inwardly to the Oxidatorraum 18th
  • a constellation thus results in which the fuel ring channel 15 coaxially surrounds the oxidizer chamber 18.
  • the fuel in the lance head 5 is located radially further outside than the oxidizer.
  • the fuel connection channels 16 and the oxidizer connection channels 20 are arranged in the lance head 5 so as to alternate with each other in the circumferential direction.
  • the same number of oxidator connection channels 20 as fuel connection channels 16 are provided.
  • the fuel stream guided radially from the inside to the outside and the oxidizer flow guided radially from the outside to the outside intersect, however, in channels 16, 20 which are separate from one another and mutually dense.
  • the lance head 5 is dimensioned in the example shown so that the radius on which the fuel nozzles 6 are arranged, is greater than the radius of the Lance shaft 4.
  • the fuel nozzles 6 are thus arranged radially further outward than an outer cross section of the lance 3 outside the lance head 5.
  • the fuel nozzles 6 can in principle be designed so that they inject the fuel as shown with respect to the axial direction of the lance 3 inclined in the mixing section 2 ,
  • the fuel nozzles 6 can also be designed in such a way that they inject the fuel relative to a central longitudinal plane of the lance 3, that is to say with respect to a plane containing the longitudinal center axis 13 inclined into the mixing section 2.
  • the fuel injection can thus take place approximately in the direction or in the opposite direction of a swirl flow which is formed in the mixing section 2 by a corresponding tangential introduction of the main oxidizer flow.
  • the lance head 5 is assembled from a base body 21 and a sleeve body 22.
  • the sleeve body 22 is attached coaxially to the base body 21 and secured thereto by means of welded joints 23.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 2 differs from the exemplary embodiment shown in FIG. 1 only in that the oxidizer line 12 is arranged axially, ie coaxially with the fuel feed 8, so that the air can flow in axially.
  • the air is then directed from the outer diameter to the center of the lance, while the fuel (eg oil) is moved from the center to the outer diameter.
  • the oxidizer and the fuel injection from the lance 3 are realized in the mixing section 2 on a nearly identical plane, so that the axial Oxidatorzucht is completely enclosed with a fuel-carrying plenum.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lanze (3) zum Einbringen eines Brennstoffs in eine Mischstrecke (2) eines mit einem Drallerzeuger zum Erzeugen eines verdrahten Verbrennungsluftstromes versehenen Brenners (1 ), insbesondere einer Turbinenanlage, umfassend einen Lanzenkopf (5), eine Brennstoffzuführung (8) und eine Oxidatorzuführung (10). Der Lanzenkopf (5) ragt in die Mischstrecke (2) hinein, weist wenigstens eine Brennstoffdüse (6) zum Eindüsen des Brennstoffs in die Mischstrecke (2) sowie wenigstens eine Oxidatoraustrittsöffnung (7) zum Einbringen eines Oxidators in die Mischstrecke (2) auf. Die Brennstoffzuführung (8) verläuft in der Lanze (3) und ist mit der wenigstens einen Brennstoffdüse (6) verbunden. Die Oxidatorzuführung (10) verläuft im Lanzenkopf (5) und ist mit der wenigstens einen Oxidatoraustrittsöffnung (7) verbunden. Um den Betrieb des Brenners (1 ) zu verbessern, ist die wenigstens eine Oxidatoraustrittsöffnung (7) am Lanzenkopf (5) zentral angeordnet, und die wenigstens eine Brennstoffdüse (6) ist bezüglich der wenigstens einen Oxidatoraustrittsöffnung (7) radial nach außen versetzt am Lanzenkopf (5) angeordnet.

Description

Brennstoff lanze
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Lanze zum Einbringen eines Brennstoffs in einen Brennraum eines mit einem Drallerzeuger versehenen Brenners, insbesondere einer Turbinenanlage, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der DE 100 50 248 A1 ist eine derartige Lanze für einen im wesentlichen aus einem Drallerzeuger zum Erzeugen eines verdrahten Verbrennungsluftstromes und aus Mitteln zum Einbringen wenigstens einer Brennstoffmenge in diesen Verbrennungsluftstrom bestehenden Brenner bekannt, die einen Lanzenkopf, eine Brennstoffzuführung und eine Oxidatorzuführung umfasst. Der Lanzenkopf ragt im montierten Zustand in den Brennraum hinein, weist eine zentrale Brennstoffdüse zum Eindüsen des Brennstoffs in den Brennraum auf und weist außerdem eine Oxidatoraustrittsöffnung zum Einbringen des Oxidators in den Brennraum auf. Die Brennstoffzuführung verläuft in der Lanze und ist mit der Brennstoffdüse verbunden. Die Oxidatorzuführung verläuft im Lanzenkopf und ist mit der Oxidatoraustrittsöffnung verbunden. Bei der bekannten Lanze ist die Brennstoffdüse am Lanzenkopf zentral angeordnet, so dass der eindüste Brennstoff koaxial zur Längsachse der Lanze in den Brennraum eintritt. Die Oxidatoraustrittsöffnung ist ringförmig ausgestaltet und umschließt die Brennstoffdüse koaxial. Der Oxidator tritt dabei ebenfalls axial aus dem Lanzenkopf aus und umhüllt dabei den eingedüsten Brennstoff. Der über den Lanzenkopf zusätzlich in den Brennraum eingebrachte Oxidator, in der Regel Luft, wird zur Kühlung und zum Spülen des Lanzenkopfs benötigt.
Bei dem aus DE 100 50 248 A1 bekannten Brenner mit Drallerzeuger entsteht auf der Achse ein Unterdruck, so dass im Zentrum eine starke Sogwirkung herrscht, was eine grosse Bedeutung für die Brennerdynamik hat.
Bei größeren derartigen Brennern, also bei Brennern mit größerer Leistung bzw. größerem Brennstoffumsatz hat sich gezeigt, dass die Einbringung des Brennstoffs über die Lanze zu einer vergleichsweise schlechten Durchmischung und somit zu relativ ungünstigen Verbrennungsreaktionen mit erhöhter Schadstoffemission führen.
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 sich insbesondere durch eine verbesserte Brennstoffeindüsung 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 wenigstens eine Oxidatoraustrittsöffnung am Lanzenkopf zentral anzuordnen und die wenigstens eine Brennstoffdüse dazu radial nach außen versetzt anzuordnen. Die Eindüsung des Brennstoffs erfolgt somit auf einem relativ großen Radius bezüglich der Längsmittelachse der Lanze. Darüber hinaus erfolgt die Eindüsung des Brennstoffs radial außerhalb des zentral über die Lanze zugeführten Oxidators. Die zwei Medien (Oxidator / Brennstoff) werden dabei mittels sich kreuzender Verteilbohrungssysteme aneinander vorbeigelenkt.
Es hat sich gezeigt, dass diese Maßnahmen zu einer verbesserten Gemischbildung und zu einer verbesserten Verbrennungsreaktion und somit zu reduzierten Schadstoffemissionen führen. Gleichzeitig bleibt jedoch die Kühl- und Spülfunktion des zentral zugeführten Oxidators erhalten.
Entsprechend bevorzugten Ausführungsformen kann die Brennstoffzuführung eine in der Lanze verlaufende Brennstoffleitung aufweisen. Des weiteren kann ein im Lanzenkopf angeordneter Brennstoffringkanal vorgesehen sein, an den einerseits die wenigstens eine Brennstoffdüse angeschlossen ist und der andererseits über Brennstoffverbindungskanäle mit der Brennstoffleitung verbunden ist. Durch diese Bauweise lässt sich die wenigstens eine Brennstoffdüse besonders weit radial nach außen verlagern, da sich die Brennstoffkanäle so ausgestalten lassen, dass sie die zentral angeordnete Brennstoffleitung mit dem Brennstoffringkanal verbinden können, der quasi einen beliebig großen Radius aufweisen kann. Anstelle eines gemeinsamen Brennstoffringkanals können auch mehrere separate Versorgungskanäle vorgesehen sein, die jeweils eine der Brennstoffdüsen mit einem der Brennstoffverbindungskanäle verbinden. Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen, bei denen die Oxidatorzuführung einen zentral im Lanzenkopf angeordneten Oxidatorraum aufweist, dessen zum Brennraum hin offenes Ende die Oxidatoraustrittsöffnung bildet. Des weiteren können mehrere Oxidatorverbindungskanäle vorgesehen sein, die den Oxidatorraum jeweils mit einer radial außen am Lanzenkopf angeordneten Oxidatoreinlassöffnung verbinden. Mit Hilfe des Oxidatorraums wird innerhalb des Lanzenkopfs eine relativ große mit dem Oxidator beaufschlagbare Oberfläche bereitgestellt, was die Kühlwirkung der Oxidatorströmung verbessert.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen.
Fig. 1 einen stark vereinfachten Axialschnitt durch einen mit einer Lanze und einem Drallerzeuger ausgestatteten Brenner im Bereich eines Lanzenkopfs in einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 2 einen stark vereinfachten Axialschnitt durch einen mit einer Lanze und einem Drallerzeuger ausgestatteten Brenner im Bereich eines Lanzenkopfs in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend Fig. 1 umfasst ein nur teilweise dargestellter Brenner 1 , welcher mit einem nicht dargestellten Drallerzeuger zum Erzeugen eines verdrahten Verbrennungsluftstromes ausgestattet ist, eine Mischstrecke 2, die zu einem nicht dargestellten Brennraum führt. Diese Mischstrecke 2 kann auch als Brennerraum bezeichnet werden. Der Brenner 1 kann dabei ein Bestandteil einer Turbinenanlage, insbesondere einer Gasturbinenanlage sein. Der Brenner 1 ist in dem hier gezeigten einlassseitigen Kopfabschnitt mit einer Lanze 3 versehen, mit deren Hilfe ein Brennstoff in die Mischstrecke 2 eingebracht werden kann. Bekanntermassen sind derartige Lanzen separate Bauteile, welche im Brenner verschiebbar angeordnet sind und gegebenenfalls auch relativ einfach herausgezogen werden können.
Die Lanze 3 umfasst einen Lanzenschaft 4 sowie einen Lanzenkopf 5, der am Lanzenschaft 4 an dem dem Brenner 1 zugeordneten Ende angeordnet oder ausgebildet ist. Im gezeigten montierten Zustand ragt der Lanzenkopf 5 in die Mischstrecke 2 hinein. Bevorzugt ist dabei die hier gezeigte Ausführungsform, bei welcher die Lanze 3 und der Brenner 1 koaxial zueinander angeordnet sind, so dass der Lanzenkopf 5 koaxial in die Mischstrecke 2 hineinragt.
Der Lanzenkopf 5 weist zumindest eine Brennstoffdüse 6 auf, mit deren Hilfe der Brennstoff in die Mischstrecke 2 eindüst werden kann. Vorzugsweise besitzt der Lanzenkopf 5 mehrere derartige Brennstoffdüsen 6, von denen in Fig. 1 aufgrund der gewählten Schnittebene jedoch nur eine sichtbar ist. Die Brennstoffdüsen 6 sind dabei in Umfangsrichtung verteilt und in Umfangsrichtung voneinander beabstandet am Lanzenkopf 5 angeordnet. Beispielsweise ist der Lanzenkopf 5 mit vier derartigen Brennstoffdüsen 6 ausgestattet, die in Umfangsrichtung jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Des weiteren ist der Lanzenkopf 5 mit zumindest einer Oxidatoraustrittsöffnung 7 ausgestattet, mit deren Hilfe ein Oxidator in die Mischstrecke 2 eingebracht werden kann. Vorzugsweise ist nur eine einzige solche Oxidatoraustrittsöffnung 7 vorgesehen.
Beim Brennstoff handelt es sich vorzugsweise um einen flüssigen Brennstoff, wie z.B. Heizöl. Ebenso kann es sich um einen gasförmigen Brennstoff, wie z.B. Erdgas, handeln. Beim Oxidator handelt es sich vorzugsweise um einen gasförmigen Oxidator, in der Regel Luft.
Die Lanze 3 ist außerdem mit einer Brennstoffzuführung 8 ausgestattet, die mit den Brennstoffdüsen 6 verbunden ist. Die Brennstoffzuführung 8 verläuft innerhalb der Lanze 3 und ist im montierten Zustand an eine externe Brennstoffversorgung 9 angeschlossen, die in Fig. 1 durch einen Pfeil symbolisiert ist. Des weiteren umfasst die Lanze 3 eine Oxidatorzuführung 10. Die Oxidatorzuführung 10 ist mit der Oxidatoraustrittsöffnung 7 verbunden und verläuft innerhalb des Lanzenkopfs 5. Im montierten Zustand ist die Oxidatorzuführung 10 an eine externe Oxidatorversorgung 11 angeschlossen, die durch einen Pfeil symbolisiert ist und die beispielsweise wenigstens eine im Brenner 1 verlaufende Oxidatorleitung 12 umfasst.
Die hier gezeigte Lanze 3 besitzt die Besonderheit, dass die Oxidatoraustrittsöffnung 7 am Lanzenkopf 5 zentral angeordnet ist. Hierdurch kann der Oxidator im Betrieb koaxial zur Längsmittelachse 13 der Lanze 3 in die Mischstrecke 2 eingebracht werden. Des weiteren sind bei der hier gezeigten Lanze 3 die Brennstoffdüsen 6 bezüglich der Oxidatoraustrittsöffnung 7 radial nach außen versetzt am Lanzenkopf 5 angeordnet. Hierdurch kann der Brennstoff im Betrieb auf einem relativ großen Radius in den Brennraum 2 eingedüst werden. Des weiteren befindet sich somit der Ort der Brennstoffeindüsung jedenfalls radial außerhalb des zentral zugeführten Oxidators. Die Eindüsung des Brennstoffs selbst erfolgt an besagtem Ort dann vorzugsweise mit einem Winkel in radialer und tangentialer Richtung, was weiter unten noch näher erläutert wird.
Diese Bauweise hat mehrere Vorteile. Zum einen kann der über die Lanze 3 zugeführte Oxidator seine Kühlfunktion und Reinigungsfunktion erfüllen. Zum anderen beeinflusst der zur Kühlung und Reinigung über den Lanzenkopf 5 eingebrachte Oxidator die Brennstoffeindüsung nicht. Darüber hinaus führt die radial weiter außen stattfindende Brennstoffeindüsung zu einer verbesserten Durchmischung mit einem Hauptoxidatorstrom, der an nicht gezeigter Stelle in die Mischstrecke 2 eingeleitet wird.
Die Brennstoffzuführung 8 umfasst bei der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform eine Brennstoffleitung 14, die in der Lanze 3 verläuft. Hierzu ist der Lanzenschaft 4 als Rohr ausgestaltet. Die Brennstoffleitung 14 ist an die Brennstoffversorgung 9 angeschlossen. Außerdem kann die Brennstoffzuführung 8 einen Brennstoffringkanal 15 aufweisen, der im Lanzenkopf 5 angeordnet ist. Der Brennstoffringkanal 15 ist an die Brennstoffdüsen 6 angeschlossen. Des weiteren erstreckt sich der Brennstoffringkanal 15 koaxial zur Längsmittelachse 13 der Lanze 3. Beachtenswert ist, dass der Brennstoffringkanal 15 einen größeren Durchmesser aufweist als die Brennstoffleitung 14 und als der Lanzenschaft 4. Anstelle eines allen Brennstoffdüsen 6 gemeinsam zugeordneten Brennstoffringkanals 15 können auch mehrere axial verlaufende Versorgungskanäle oder -bohrungen vorgesehen sein, die jeweils an eine der Brennstoffdüsen 6 angeschlossen sind. Diese Versorgungskanäle können die Strömung zur jeweiligen Brennstoffdüse 6 vergleichsmäßigen und vermeiden sogenannte Totwassergebiete nahe der Brennstoffdüsen 6, was die Spülung beim Abschalten der Brennstoffzufuhr vereinfacht. Des weiteren kann die Brennstoffzuführung 8 mehrere
Brennstoffverbindungskanäle 16 aufweisen. Diese Brennstoffverbindungskanäle 16 sind im Lanzenkopf 5 angeordnet, und zwar in einem Übergangsabschnitt 17, mit dem der Lanzenkopf 5 in den Lanzenschaft 4 übergeht. Dieser Übergangsabschnitt 17 ist hier konisch ausgestaltet und weist einen zum Lanzenschaft 4 abnehmenden Querschnitt auf. Mit Hilfe des konischen Übergangsabschnitts 17 wird erreicht, dass der Lanzenkopf 5 außerhalb des Übergangsabschnitts 17 einen deutlich größeren Außenquerschnitt aufweist als der Lanzenschaft 4. Hierdurch lässt sich für die Positionierung der Brennstoffdüsen 6 ein besonders großer Radius oder Abstand zur Längsmittelachse 13 erreichen.
Die Brennstoffverbindungskanäle 16 erstrecken sich von der zentral angeordneten Brennstoffleitung 14 axial sowie radial nach außen bis zum Brennstoffringkanal 15. Vorzugsweise sind mehrere, z.B. drei, Brennstoffverbindungskanäle 16 vorgesehen, um den Brennstoffringkanal 15 mit hinreichend Brennstoff zu versorgen. Grundsätzlich kann auch ein einziger Brennstoffverbindungskanal 16 ausreichend sein. Sofern anstelle des gemeinsamen Brennstoffringskanals 15 die weiter oben genannten separaten Versorgungskanäle oder -bohrungen verwendet werden, sind diese jeweils an einen solchen Brennstoffverbindungskanal 16 angeschlossen.
Die Oxidatorzuführung 10 umfasst vorzugsweise einen Oxidatorraum 18, der ein zur Mischstrecke 2 hin offenes axiales Ende aufweist, das die Oxidatoraustrittsöffnung 7 bildet. Der Oxidatorraum 18 ist hierzu im Lanzenkopf 5 zentral angeordnet. Bei einer kreisförmigen Oxidatoraustrittsöffnung 7 weist der Oxidatorraum 18 einen entsprechenden Zylinderabschnitt auf, der an die Oxidatoraustrittsöffnung 7 angrenzt. Des weiteren weist der Oxidatorraum 18 an dem von der Oxidatoraustrittsöffnung 7 entfernten Ende einen Kegelstumpfabschnitt auf.
Die Oxidatorzuführung 10 umfasst außerdem mehrere Oxidatoreinlassöffnung 19, die jeweils radial außen am Lanzenkopf 5, vorzugsweise an dessen Übergangsbereich 17 angeordnet sind. Diese Oxidatoreinlassöffnungen 19 können beispielsweise über die Oxidatorleitungen 12 an die Oxidatorversorgung 11 angeschlossen sein. Außerdem umfasst die Oxidatorzuführung 10 mehrere Oxidatorverbindungskanäle 20, die jeweils eine der Oxidatoreinlassöffnungen 19 mit dem Oxidatorraum 18 verbinden und hierzu in dessen Kegelstumpfabschnitt einmünden. Auch die Oxidatorverbindungskanäle 20 sind im Lanzenkopf 5 und vorzugsweise in dessen Übergangsabschnitt 17 angeordnet. Dabei erstrecken sich die Oxidatorverbindungskanäle 20 von der jeweiligen außenliegenden Oxidatoreinlassöffnung 19 axial und radial nach innen zum Oxidatorraum 18.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform ergibt sich somit eine Konstellation, bei welcher der Brennstoffringkanal 15 den Oxidatorraum 18 koaxial umschließt. Auf diese Weise befindet sich der Brennstoff im Lanzenkopf 5 radial weiter außen als der Oxidator. Die Brennstoffverbindungskanäle 16 und die Oxidatorverbindungskanäle 20 sind im Lanzenkopf 5 so angeordnet, dass sie einander in Umfangsrichtung abwechseln. Zweckmäßig sind somit gleich viele Oxidatorverbindungskanäle 20 wie Brennstoffverbindungskanäle 16 vorgesehen. Im Lanzenkopf 5 bzw. im Übergangsabschnitt 17 überkreuzen sich der radial von innen nach außen geführte Brennstoffstrom und der radial von außen nach innen geführte Oxidatorstrom, allerdings in voneinander getrennten und gegeneinander dichten Kanälen 16, 20.
Der Lanzenkopf 5 ist im gezeigten Beispiel so dimensioniert, dass der Radius, auf dem die Brennstoffdüsen 6 angeordnet sind, größer ist als der Radius des Lanzenschafts 4. Die Brennstoffdüsen 6 sind somit radial weiter außen angeordnet als ein Außenquerschnitt der Lanze 3 außerhalb des Lanzenkopfs 5. Die Brennstoffdüsen 6 können grundsätzlich so ausgestaltet sein, dass sie den Brennstoff wie gezeigt gegenüber der Axialrichtung der Lanze 3 geneigt in die Mischstrecke 2 eindüsen. Darüber hinaus können die Brennstoffdüsen 6 zusätzlich auch so ausgestaltet sein, dass sie den Brennstoff gegenüber einer zentralen Längsebene der Lanze 3, also gegenüber einer die Längsmittelachse 13 enthaltenden Ebene geneigt in die Mischstrecke 2 eindüsen. Die Brennstoffeindüsung kann somit etwa in Richtung oder in Gegenrichtung einer Drallströmung erfolgen, die in der Mischstrecke 2 durch eine entsprechende tangentiale Einleitung der Hauptoxidatorströmung ausgebildet wird.
Im gezeigten Beispiel ist der Lanzenkopf 5 aus einem Grundkörper 21 und einem Hülsenkörper 22 zusammengebaut. Hierzu ist der Hülsenkörper 22 koaxial auf den Grundkörper 21 aufgesteckt und mittels Schweißverbindungen 23 daran befestigt.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich darin, dass die Oxidatorleitung 12 axial, d.h. koaxial zur Brennstoffzuführung 8 angeordnet ist, so dass die Luft axial zuströmen kann. Im Übergangsabschnitt 17 des Lanzenkopfes 5 wird dann die Luft vom äusseren Durchmesser zum Zentrum der Lanze gelenkt, während der Brennstoff (z.B. Öl) vom Zentrum zum Aussendurchmesser verlegt wird. Wie schon beim ersten Ausführungsbeispiel sind die Oxidator- und die Brennstoffeindüsung von der Lanze 3 in die Mischstrecke 2 auf einer nahezu identischen Ebene realisiert, so dass die axiale Oxidatorzufuhr vollständig mit einem brennstoffführenden Plenum umschlossen wird.
Bezugszeichenliste
Brenner
Mischstrecke
Lanze
Lanzenschaft
Lanzenkopf
Brennstoffdüse
Oxidatoraustrittsöffnung
Brennstoffzuführung
Brennstoffversorgung
Oxidatorzuführung
Oxidatorversorgung
Oxidatorleitung
Längsmittelachse von 3
Brennstoffleitung
Brennstoffringkanal
Brennstoffverbindungskanal
Übergangsabschnitt von 5
Oxidatorraum
Oxidatoreinlassöffnung
Oxidatorverbindungskanal
Grundkörper
Hülsenkörper
Schweißverbindung

Claims

Patentansprüche
1. Lanze zum Einbringen eines Brennstoffs in eine Mischstrecke (2) eines mit einem Drallerzeuger zum Erzeugen eines verdrahten Verbrennungsluftstromes versehenen Brenners (1), insbesondere einer Turbinenanlage,
- mit einem Lanzenkopf (5), der im montierten Zustand in die Mischstrecke (2) hineinragt, der wenigstens eine Brennstoffdüse (6) zum Eindüsen des Brennstoffs in die Mischstrecke (2) aufweist und der wenigstens eine Oxidatoraustrittsöffnung (7) zum Einbringen eines Oxidators in die Mischstrecke (2) aufweist,
- mit einer in der Lanze (3) verlaufenden Brennstoffzuführung (8), die mit der wenigstens einen Brennstoffdüse (6) verbunden ist,
- mit einer im Lanzenkopf (5) verlaufenden Oxidatorzuführung (10), die mit der wenigstens einen Oxidatoraustrittsöffnung (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
- dass die wenigstens eine Oxidatoraustrittsöffnung (7) am Lanzenkopf (5) zentral angeordnet ist,
- dass die wenigstens eine Brennstoffdüse (6) bezüglich der wenigstens einen Oxidatoraustrittsöffnung (7) radial nach außen versetzt am Lanzenkopf (5) angeordnet ist.
2. Lanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Brennstoffzuführung (8) eine in der Lanze (3) verlaufende Brennstoffleitung (14) aufweist, und/oder - dass die Brennstoffzuführung (8) für jede Brennstoffdüse (6) einen im Lanzenkopf (5) angeordneten Versorgungskanal aufweist, an den die jeweils zugeordnete Brennstoffdüse (6) angeschlossen ist, und/oder
- dass die Brennstoffzuführung (8) einen im Lanzenkopf (5) angeordneten Brennstoffringkanal (15) aufweist, an den die wenigstens eine Brennstoffdüse (6) angeschlossen ist, und/oder
- dass die Brennstoffzuführung (8) mehrere Brennstoffverbindungskanäle (16) aufweist, die den Brennstoffringkanal (15) oder die Versorgungskanäle mit der Brennstoffleitung (14) verbinden.
3. Lanze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Oxidatorzuführung (10) einen zentral im Lanzenkopf (5) angeordneten Oxidatorraum (18) aufweist, dessen zur Mischstrecke (2) hin offenes Ende die Oxidatoraustrittsöffnung (7) bildet, und/oder
- dass die Oxidatorzuführung (10) mehrere Oxidatorverbindungskanäle (20) aufweist, die den Oxidatorraum (18) jeweils mit einer radial außen am Lanzenkopf (5) angeordneten Oxidatoreinlassöffnung (19) verbinden.
4. Lanze nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Oxidatorverbindungskanäle (20) und die Brennstoffverbindungskanäle (16) im Lanzenkopf (5) einander in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind, und/oder
- dass der Brennstoffringkanal (15) den Oxidatorraum (18) koaxial umschließt.
5. Lanze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, - dass der Lanzenkopf (5) einen größeren Außenquerschnitt aufweist als ein an den Lanzenkopf (5) angrenzender Lanzenabschnitt (4), und/oder
- dass die wenigstens eine Brennstoffdüse (6) auf einem größeren Radius liegt als der Außenquerschnitt der Lanze (3) außerhalb des Lanzenkopfs (5), und/oder
- dass der Lanzenkopf (5) einen konischen Übergangsabschnitt (17) aufweist, über den der Lanzenkopf (5) mit dem daran angrenzenden Lanzenabschnitt (4) verbunden ist.
6. Lanze nach Anspruch 5, sowie nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Oxidatoreinlassöffnungen (19) im Übergangsabschnitt (17) angeordnet sind, und/oder
- dass die Brennstoffverbindungskanäle (16) im Übergangsabschnitt (17) angeordnet sind, und/oder
- dass die Oxidatorverbindungskanäle (20) im Übergangsabschnitt (17) angeordnet sind.
7. Lanze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
- dass nur eine einzige zentrale Oxidatoraustrittsöffnung (7) vorgesehen ist, und/oder
- dass mehrere Brennstoffdüsen (6) vorgesehen sind, die am Lanzenkopf (5) in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind.
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.
9. Lanze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem eingebrachten Brennstoff um flüssigen Brennstoff handelt.
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