EP1999409B1 - Brenneranordnung - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine Brenneranordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
• Der abgestufte Betrieb eines Vormischbrenners vom Typ des Doppelkegelbrenners ist in der Druckschrift WO-A1-2001/096785 bzw. der äquivalenten US-B2-6,769,903 beschrieben worden. Das in diesen Druckschriften offenbarte Betriebsverfahren ermöglicht einen flexiblen Betrieb des Brenners mit niedrigen Emissionen und Pulsationen über einen weiten Bereich von Brennstoff- und Umgebungsparametern.
• Eine in den Druckschriften beschriebene Brennerkonfiguration zur Durchführung des Verfahrens ist in Fig. 1 wiedergegeben. Die Fig. 1 zeigt eine Brenneranordnung 10 in Form eines sogenannten Doppelkegelbrenners, der einen von einem Doppelkegel 11 umschlossenen Drallraum 17 aufweist (zur Funktionsweise des Doppelkegelbrenners siehe z.B. die EP-A1-0 321 809 ). In den Drallraum 17 ragt in axialer Richtung zur Brennerachse 21 eine Brennstofflanze 12 hinein, aus der am vorderen Ende in axialer Richtung flüssiger Brennstoff 16 austritt, der von Abschirmluft 15 umgeben ist. Ein Vormischbrennstoff wird in zwei Stufen 13 und 14 in den Brenner eingedüst. In der ersten Stufe 13 wird der Vormischbrennstoff aus der zentralen Brennstofflanze 12 durch eine Vielzahl von Eindüsungsöffnungen (angedeutet durch die Pfeile in Fig. 1) radial nach aussen eingedüst. Die Eindüsungsöffnungen sind so ausgebildet und angeordnet, dass sich eine vorbestimmte Verteilung des eingedüsten Vormischbrennstoffs ergibt.
• Um eine gute Durchmischung des Brennstoffs mit Luft zu erreichen, muss die Eindringtiefe der Brennstoffstrahlen in den kreuzenden Luftstrom ausreichend hoch sein. Die Eindringtiefe eines Strahls in einem Querstrom hängt vom Durchmesser des Strahls und vom Verhältnis der Impulsflüsse von Strahl und Querströmung ab. Um mit einer Vielzahl von Eindüsungsöffnungen mit kleinem Durchmesser eine ausreichend Eindringtiefe zu erzielen, werden ziemlich hohe Eindüsgeschwindigkeiten benötigt. Dies führt zu speziellen Anforderungen an die Höhe des Gasdrucks für die erste Stufe.
• Hohe Gasdrücke in der ersten Stufe stellen für die bestehende Vormischbrenneranordnung ein erhebliches Problem dar. Dadurch werden dem Einsatz von mehrstufigen Vormischbrennern in Netzen mit niedrigem Gasdruck Grenzen gesetzt. Theoretisch ist es möglich, das Problem dadurch abzuschwächen, dass der Gasdruck mittels eines zusätzlichen Verdichters erhöht wird. Jedoch werden hierdurch die Kosten für die Installation und den Betrieb deutlich erhöht. Es ist deshalb wünschenswert, eine Lösung zu finden, bei welcher die Anforderungen an den Gasdruck für die erste Stufe durch die Gestaltung des Brenners verringert werden, ohne dass die Wirkung des Brenners massgeblich beeinträchtigt wird.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine mehrstufige Brenneranordnung mit einem Vormischbrenner zu schaffen, bei der durch konstruktive Vorkehrungen die Anforderungen an den Druck für die erste Stufe begrenzt werden.
• Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Massgeblich für die vorgeschlagene Lösung ist, dass in der ersten Stufe der gesamte Vormischbrennstoff durch zwei gegenüberliegende Eindüsungsöffnungen mit vergrössertem Öffnungsdurchmesser in den Drallraum eingedüst wird. Durch die in einem Paar mit grossem Öffnungsdurchmesser zusammengefassten Eindüsungsöffnungen wird ein Betrieb sowohl bei Leerlauf als auch bei Volllast mit reduziertem Gasdruck ermöglicht. Die Lösung ist sehr einfach und robust und kann ohne Schwierigkeiten bei vorhanden Brenneranordnungen implementiert werden. Zusätzlich wird ein Fouling durch Schmutz reduziert.
• Erfindungsgemäß weisen die beiden Eindüsungsöffnungen der ersten Stufe einen Durchmesser von etwa 5 mm auf und die beiden Eindüsungsöffnungen sind in Umfangrichtung um einen Winkel von etwa 65 Grad aus einer Mittelebene heraus verdreht angeordnet sind, welche parallel zur im Doppelkegel tangential einströmenden Luft orientiert ist.
• Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofflanze soweit in den Drallraum hineinragt, dass die Spitze der Brennstofflanze etwa um einen Abstand von 135 mm vom offenen Ende des Drallraums entfernt ist, und dass die beiden Eindüsungsöffnungen in axialer Richtung in einem Abstand von etwa 115 mm von der Spitze der Brennstofflanze entfernt angeordnet sind.
• Insbesondere kann an der Spitze der Brennerlanze flüssiger Brennstoff in axialer Richtung in den Drallraum eingedüst werden, wobei der flüssige Brennstoff von einem Mantel von Abschirmluft umgeben ist.
• Weiterhin ist es denkbar, dass die Brennerlanze an der Spitze durch eine senkrecht zur Brennerachse stehenden Stirnfläche begrenzt ist.
• Ebenso kann die Brennerlanze an der Spitze abgerundet oder stromlinienförmig ausgebildet sein.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
• Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1

in einer stark vereinfachten Darstellung die Seitenansicht einer Brenneranordnung mit einem mehrstufigen Vormischbrenner nach dem Stand der Technik;

Fig. 2

in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung einen mehrstufigen Vormischbrenner gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3

einige wesentliche Abmessungen beim Vormischbrenner aus Fig. 2; und

Fig. 4

den Vormischbrenner aus Fig. 2 in der Frontalansicht mit der Orientierung der Eindüsungsöffnungen der ersten Stufe in Umfangsrichtung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
• In Fig. 2 ist in einer zur Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Brenneranordnung 20 umfasst einen Doppelkegel 11, der einen Drallraum 17 umschliesst, in den von der Kegelspitze her eine Brennstofflanze 12 in axialer Richtung hineinragt. In einer zweiten Stufe 14 wird Vormischbrennstoff durch eine Vielzahl von Eindüsungsöffnungen in den tangential in den Drallraum 17 einströmenden Luftstrom eingedüst. In der ersten Stufe 18 sind anstelle der vielen kleinen Eindüsungsöffnungen aus dem Stand der Technik nunmehr nur zwei gegenüberliegende Eindüsungsöffnungen 19 mit deutlich vergrössertem Durchmesser vorgesehen, durch die nunmehr der gesamte Vormischbrennstoff der ersten Stufe 18 eingedüst wird.
  Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind die beiden Eindüsungsöffnungen 19 der ersten Stufe 18 um einen Abstand a entfernt von der Spitze der Brennstofflanze 12 angeordnet. Die Spitze der Brennstofflanze 12 ihrerseits hat von dem offenen Ende des Drallraums 17 einen Abstand b. Bevorzugt beträgt der Abstand a 115 mm +/- 10 mm. Der Abstand b beträgt vorzugsweise 135 mm. Der Durchmesser der Eindüsungsöffnungen 19 beträgt 5 mm +/- 0,5 mm. Die Eindüsungsöffnungen 19 sind in radialer Richtung orientiert und haben relativ zum Doppelkegel 11 eine Winkelstellung in Umfangsrichtung, wie dies aus Fig. 4 deutlich wird. Wenn man eine Mittelebene 22 definiert, die durch die Brennerachse 21 geht, und die parallel zu der Richtung ist, in welcher die Luft durch den Doppelkegel 11 tangential in den Drallraum 17 einströmt (kleine Pfeile in Fig. 4), sind die Eindüsungsöffnungen 19 um einen Winkel α von 65 Grad (+5 Grad/ -10 Grad) aus dieser Mittelebene 22 herausgedreht.
• In den Fig. 2-4 ist eine Brenneranordnung gezeigt, bei der die Brennerlanze an der Spitze durch eine senkrecht zur Brennerachse stehenden Stirnfläche begrenzt ist (rechteckige Geometrie der Spitze). Es ist aber in Abhängigkeit von der Ausgestaltung der Düse für den flüssigen Brennstoff und der Abschirmluft auch denkbar, dass die Brennerlanze an der Spitze abgerundet oder stromlinienförmig ausgebildet sind.
• Der Betrieb der erfindungsgemässen Brenneranordnung kann nach den gleichen Prinzipien erfolgen, wie sie in der eingangs genannten Druckschrift erläutert worden ist.
• Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine Brenneranordnung, die sich auszeichnet durch
• einen reduzierten Gasdruck sowohl bei Leerlauf- als auch bei Volllastbetrieb;
• eine einfache und robuste Konstruktion; und
• eine reduzierte Anfälligkeit für schmutzbedingtes Fouling.
BEZUGSZEICHENLISTE

10,20

Brenneranordnung (Vormischbrenner)

11

Doppelkegel

12

Brennstofflanze

13,18

erste Stufe

14

zweite Stufe

15

Abschirmluft

16

flüssiger Brennstoff

17

Drallraum

19

Eindüsungsöffnung erste Stufe

21

Brennerachse

22

Mittelebene

a,b

Abstand

α

Winkel

Claims (6)

1. Brenneranordnung (20) mit einem konzentrisch zu einer Brennerachse (21) angeordneten kegelförmigen Drallkörper in Form eines Doppelkegels (11), welcher einen Drallraum (17) umschliesst, und mit einer in der Brennerachse (21) liegenden zentralen Brennstofflanze (12), welche von der Kegelspitze des Drallkörpers (11) her in den Drallraum (17) hineinragt, wobei eine erste Stufe (18) zum Eindüsen von Vormischbrennstoff vorgesehen ist, in welcher der Vormischbrennstoff durch an der Brennstofflanze (12) angeordnete Eindüsungsöffnungen (19) radial nach aussen in den Drallraum (17) eingedüst wird, und wobei eine zweite Stufe (14) zum Eindüsen von Vormischbrennstoff vorgesehen ist, in welcher der Vormischbrennstoff durch Eindüsungsöffnungen im Doppelkegel (11) in einem im Doppelkegel (11) geführten Luftstrom eingedüst wird, wobei in der ersten Stufe (18) der gesamte Vormischbrennstoff durch zwei gegenüberliegende Eindüsungsöffnungen (19) mit vergrössertem Öffnungsdurchmesser in den Drallraum (17) eingedüst wird; wobei die beiden Eindüsungsöffnungen (19) der ersten Stufe (18) einen Durchmesser von etwa 5 mm aufweisen; dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Eindüsungsöffnungen (19) in Umfangrichtung um einen Winkel (a) von etwa 65 Grad aus einer Mittelebene (22) heraus verdreht angeordnet sind, welche parallel zur im Doppelkegel (11) tangential einströmenden Luft orientiert ist.
2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofflanze (12) soweit in den Drallraum (17) hineinragt, dass die Spitze der Brennstofflanze (12) um einen Abstand (b) etwa 135 mm vom offenen Ende des Drallraums (17) entfernt ist, und dass die beiden Eindüsungsöffnungen (19) in axialer Richtung in einem Abstand (a) von etwa 115 mm von der Spitze der Brennstofflanze (12) entfernt angeordnet sind.
3. Brenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Spitze der Brennerlanze (12) flüssiger Brennstoff (16) in axialer Richtung in den Drallraum (17) eingedüst wird.
4. Brenneranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Brennstoff (16) von einem Mantel von Abschirmluft (15) umgeben ist.
5. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerlanze (12) an der Spitze durch eine senkrecht zur Brennerachse (21) stehenden Stirnfläche begrenzt ist.
6. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerlanze (12) an der Spitze abgerundet oder stromlinienförmig ausgebildet ist.

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