EP2236919A1 - Burner and method for operating a burner, in particular for a gas turbine - Google Patents

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EP2236919A1
EP2236919A1 EP09155336A EP09155336A EP2236919A1 EP 2236919 A1 EP2236919 A1 EP 2236919A1 EP 09155336 A EP09155336 A EP 09155336A EP 09155336 A EP09155336 A EP 09155336A EP 2236919 A1 EP2236919 A1 EP 2236919A1
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EP
European Patent Office
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jet pipe
fuel
burner
opening
central axis
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09155336A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Matthias Hase
Bernd Prade
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to EP10712376A priority patent/EP2409079A2/en
Priority to PCT/EP2010/053213 priority patent/WO2010105989A2/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F23D11/106—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting at the burner outlet

Definitions

  • the present invention relates to methods of operating a burner, a burner and a gas turbine.
  • a second object of the present invention is to provide an advantageous burner.
  • a third object is to provide an advantageous gas turbine available.
  • the first object is achieved by a method according to claim 1.
  • the second object is achieved by a burner according to claim 9.
  • the third object is achieved by a gas turbine according to claim 14.
  • the dependent claims contain further, advantageous embodiments of the invention.
  • the inventive method for operating a burner relates to a burner which comprises at least one jet pipe.
  • the jet pipe flows an oxidizing agent, typically air.
  • the jet pipe comprises at its circumference at least one supply channel with an opening directed towards the interior of the jet pipe, which with respect to the flow direction of the oxidant comprises an upstream and a downstream wall.
  • a liquid fuel is introduced along the upstream wall through the opening in the jet pipe.
  • an auxiliary medium is introduced through the supply channel in the jet pipe.
  • the application of the principle "film applicator with atomizer auxiliary medium" for introducing a liquid fuel is advantageous because of the high oxidation-side flow velocities in a twist-free operated burner.
  • the oxidant flowing through the jet tube has high flow velocities and thus a high momentum.
  • the auxiliary medium which acts as a blowing agent for the film, very suitable conditions for the fine atomization and mixing of the liquid fuel into the oxidant flow are provided at the spatial contact point of the two streams.
  • high pulses of oxidant and auxiliary medium of the fuel can be introduced at a relatively low pressure, and it is still achieved a good atomization.
  • auxiliary medium As fuel, for example, oil can be used.
  • air or an inert substance can be used as the auxiliary medium.
  • nitrogen or steam for example water vapor, can be used as the inert substance.
  • auxiliary medium compressor air, so using a compressor or otherwise compressed Air, to be used.
  • the auxiliary medium is advantageously cooled.
  • inert auxiliary media for example steam, nitrogen or cooled air
  • safe operation can be enabled even at very high compressor outlet pressure or at very high temperatures.
  • gaseous inert materials or cooled compressor air as an auxiliary medium causes a delay of the auto-ignition and thus allows longer mixing paths.
  • auxiliary compressor may be required in this case.
  • the jet pipe may comprise a central axis.
  • the fuel and the auxiliary medium can be introduced in this case at an angle between 0 ° and 90 ° to the central axis in the jet pipe.
  • the fuel and the auxiliary medium can be introduced at an angle between 40 ° and 50 ° to the central axis in the jet pipe.
  • the burner according to the invention comprises at least one jet pipe.
  • the jet pipe comprises an outlet and has at its circumference at least one supply channel with an opening directed towards the jet tube interior, which is in fluid communication with a supply device for supplying a Zerstäuber oscilsmediums in the jet tube interior.
  • the feed channel includes an upstream and a downstream wall with respect to a flow direction directed toward the exit of the jet pipe.
  • the upstream wall is connected to a fuel supply which allows the generation of a fuel film on the upstream wall.
  • the supply channel can be configured as an annular channel and the opening as an annular gap running along the circumference of the jet tube.
  • the jet pipe is typically designed split.
  • the annulus may be for introducing liquid fuel which is propelled by the nebulizer aid medium as a film to the nebulizing edge between a main flow in the radiant tube and the flow of the nebulizing aid medium.
  • the sputtering edge is formed by the upstream edge of the annular gap.
  • the jet pipe and the opening may each comprise a central axis.
  • the central axis of the jet pipe and the center axis of the opening may include an angle between 0 ° and 90 °.
  • the center axis of the jet pipe and the center axis of the opening may include an angle between 40 ° and 50 °.
  • burner effusion openings are present downstream of the at least one supply channel in the jet tube wall, which can be configured in particular as Effusionsbohronne.
  • the gas turbine according to the invention comprises a previously described burner according to the invention.
  • the gas turbine according to the invention have the same advantages as the burner according to the invention.
  • the gas turbine according to the invention can be used to carry out the process according to the invention.
  • the present invention due to the prevention of contact of the fuel with the downstream wall by the flowing Zerstäubermedium a residue formation and largely prevents unwanted ignition on this wall.
  • FIG. 1 schematically shows a section through the jet pipe 1 of a burner according to the invention.
  • the jet pipe 1 comprises a central axis 2, an inlet 3 and an outlet 4.
  • the jet pipe 1 along its circumference two opposing feed channels 5a and 5b with directed to the interior of the jet pipe 1 openings 16a, 16b.
  • the center axes of the feed channels 5a and 5b are indicated by the reference numerals 6a and 6b.
  • the channels 5a and 5b each have an upstream wall 7 and downstream wall 8 and an upstream and a downstream wall region, respectively.
  • air is passed through the jet pipe 1 as an oxidizing agent.
  • the direction of flow of the air is indicated by the reference numeral 10.
  • a film of a liquid fuel in the present embodiment, oil is produced on the upstream wall 7.
  • an auxiliary medium passed through the supply channels 5a, 5b so that the oil is driven along the upstream wall 7 as a film towards the jet pipe 1 and is atomized at the entrance to the jet pipe 1 at an atomizing edge 13 located there.
  • auxiliary medium By the auxiliary medium forming a buffer between the fuel film and the downstream wall 8, contact of the oil with the downstream wall 8 is avoided. This prevents residue formation and ignition on the downstream wall.
  • the flow direction of the oil is indicated by the reference numeral 11
  • the flow direction of the auxiliary medium is indicated by the reference numeral 12.
  • the auxiliary medium may be, for example, air, in particular cooled compressor air, steam, in particular water vapor, nitrogen or another inert auxiliary medium.
  • the oil and the auxiliary medium used at an angle ⁇ between 0 ° and 90 °, advantageously between 40 ° and 50 °, are introduced to the central axis 2 in the jet pipe 1.
  • the angle ⁇ is indicated by the reference numeral 9.
  • effusion bores are present in the jet tube wall between the channels 5a and 5b and the outlet 4, which likewise counteract the formation of deposits on the jet tube wall and also the self-ignition of the fuel at the jet tube wall.
  • FIG. 2 schematically shows a section through the jet pipe of a burner according to the invention. That in the FIG. 2 shown jet pipe comprises two parts 1a and 1b. Between the two parts 1a and 1b of the jet pipe, an annular channel 5c is formed with an opening 16c open towards the interior of the jet pipe 1a, 1b. The opening 16c in this case forms an annular gap in the peripheral wall of the jet pipe.
  • the annular channel 5 c is connected to a fuel supply 14 and a supply of a Zerstäuberacysmediums 15.
  • the fuel supply 14 may in particular be an oil supply.
  • the atomizer auxiliary medium may be, for example, air, in particular cooled compressor air, steam, in particular steam, nitrogen or another inert auxiliary medium.
  • the fuel supply 14 is arranged so that the supplied fuel flows on the upstream wall 7 of the annular channel 5c as a film in the direction of the jet pipe.
  • the flow direction of the fuel is indicated by the reference numeral 11.
  • the nebulizer auxiliary supply 15 is configured so that the nebulizer aid drives the fuel used as a film toward the jet pipe and nebulizes it at the nebulizer edge 13 at the entrance to the jet pipe.
  • the atomizer auxiliary medium prevents contact between the fuel 11 and the downstream wall 8. As a result, residue formation and ignition at the downstream wall 8 are largely avoided.
  • the flow direction of the atomizer auxiliary medium is indicated by the reference numeral 12.
  • the center of the annular channel 5c may form an imaginary cone shell 6, which forms an angle ⁇ (reference numeral 9) between 0 ° and 90 °, in particular between 40 ° and 50 ° with the central axis 2 of the jet pipe 1a, 1b.
  • annular gap 5c and the output 4 effusion holes may be present in the jet tube wall, which also counteract the formation of deposits on the jet tube wall and a self-ignition of the fuel at the jet tube wall.
  • FIG. 3 schematically shows a gas turbine.
  • a gas turbine has inside a rotor rotatably mounted about a rotation axis with a shaft 107, which is also referred to as a turbine runner.
  • a turbine runner Along the rotor follow one another an intake housing 109, a compressor 101, a combustion system 151 with a number of steel burners 1, a turbine 105 and the exhaust housing 190.
  • the combustion system 151 with the burners according to the invention may basically comprise an annular combustion chamber or a plurality of tube combustion chambers.
  • the combustion system 151 communicates with a, for example, annular hot gas channel.
  • a turbine stage connected in series form the turbine 105.
  • Each turbine stage is formed by blade rings.
  • a vane collar 117 is followed by a ring formed by blades 115 in the hot gas duct.
  • the vanes 117 are attached to an inner housing of a stator, whereas the blades 115 are mounted on the rotor. Coupled to the rotor is a generator or a work machine.

Abstract

The method involves allowing flow of liquid fuel (11) i.e. oil, along an upstream wall (7) of supply channels (5a, 5b) of a nozzle (1) through openings (16a, 16b) into the nozzle, where the openings are directed towards the interior of the nozzle. The liquid fuel is atomized with the aid of an auxiliary agent (12) e.g. compressed cool air or inert substance such as nitrogen and steam, that flows between the fuel and a downstream wall (8) of the supply channels through the opening into the nozzle, where the supply channels are formed at the circumference of the nozzle. An independent claim is also included for a gas turbine comprising a burner.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb eines Brenners, einen Brenner und eine Gasturbine.The present invention relates to methods of operating a burner, a burner and a gas turbine.

Auf vorgemischten Strahlflammen basierende Verbrennungssysteme bieten gegenüber drallstabilisierten Systemen aufgrund der verteilten Wärmefreisetzungszonen und der fehlenden drallinduzierten Wirbel, insbesondere aus thermoakustischer Sicht, Vorteile. Durch geeignete Wahl des Strahlimpulses lassen sich kleinskalige Strömungsstrukturen erzeugen, die akustisch induzierte Wärmefreisetzungsfluktuationen dissipieren und somit Druckpulsationen, die typisch für drallstabilisierte Flammen sind, unterdrücken.On premixed jet flame based combustion systems offer over spin stabilized systems due to the distributed heat release zones and the lack of spin-induced vortex, especially from a thermoacoustic point of view, advantages. By a suitable choice of the jet pulse, small-scale flow structures can be generated which dissipate acoustically induced heat release fluctuations and thus suppress pressure pulsations which are typical for spin-stabilized flames.

Es ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb eines Brenners, welcher mindestens ein Strahlrohr umfasst, zur Verfügung zu stellen. Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen vorteilhaften Brenner zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus besteht eine dritte Aufgabe darin, eine vorteilhafte Gasturbine zur Verfügung zu stellen.It is a first object of the present invention to provide an advantageous method for operating a burner, which comprises at least one jet pipe. A second object of the present invention is to provide an advantageous burner. In addition, a third object is to provide an advantageous gas turbine available.

Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch einen Brenner nach Anspruch 9 gelöst. Die dritte Aufgabe wird durch eine Gasturbine nach Anspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The first object is achieved by a method according to claim 1. The second object is achieved by a burner according to claim 9. The third object is achieved by a gas turbine according to claim 14. The dependent claims contain further, advantageous embodiments of the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Brenners betrifft einen Brenner, welcher mindestens ein Strahlrohr umfasst. Durch das Strahlrohr strömt ein Oxidationsmittel, typischerweise Luft. Das Strahlrohr umfasst an seinem Umfang mindestens einen Zufuhrkanal mit einer zum Inneren des Strahlrohres gerichteten Öffnung, der in Bezug auf die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels eine stromaufwärtige und eine stromabwärtige Wand umfasst. Ein flüssiger Brennstoff wird entlang der stromaufwärtigen Wand durch die Öffnung in das Strahlrohr eingebracht. Zudem wird ein Hilfsmedium durch den Zufuhrkanal in das Strahlrohr eingebracht. Mithilfe des zwischen dem Brennstoff und der stromabwärtigen Wand in das Strahlrohr strömenden Hilfsmediums wird der entlang der stromaufwärtigen Wand in das Strahlrohr eingebrachte flüssige Brennstoff zerstäubt.The inventive method for operating a burner relates to a burner which comprises at least one jet pipe. Through the jet pipe flows an oxidizing agent, typically air. The jet pipe comprises at its circumference at least one supply channel with an opening directed towards the interior of the jet pipe, which with respect to the flow direction of the oxidant comprises an upstream and a downstream wall. A liquid fuel is introduced along the upstream wall through the opening in the jet pipe. In addition, an auxiliary medium is introduced through the supply channel in the jet pipe. By means of the flowing between the fuel and the downstream wall in the jet pipe auxiliary medium of the introduced along the upstream wall into the jet pipe liquid fuel is atomized.

Die Anwendung des Prinzips "Filmleger mit Zerstäuberhilfsmedium" zur Einbringung eines Flüssigbrennstoffes ist wegen der hohen oxidationsseitigen Strömungsgeschwindigkeiten in einem drallfrei betriebenen Brenner vorteilhaft. Das das Strahlrohr durchströmende Oxidationsmittel weist hohe Strömungsgeschwindigkeiten und damit einen hohen Impuls auf. Mithilfe des Hilfsmediums, welches als Treibmittel für den Film wirkt, werden an der räumlichen Kontaktstelle der beiden Ströme sehr geeignete Bedingungen zur feinen Zerstäubung und Einmischung des Flüssigbrennstoffes in die Oxidationsmittelströmung bereitgestellt. Durch hohe Impulse von Oxidationsmittel und Hilfsmedium kann der Brennstoff mit relativ geringem Druck eingebracht werden, und es wird dennoch eine gute Zerstäubung erreicht.The application of the principle "film applicator with atomizer auxiliary medium" for introducing a liquid fuel is advantageous because of the high oxidation-side flow velocities in a twist-free operated burner. The oxidant flowing through the jet tube has high flow velocities and thus a high momentum. By means of the auxiliary medium, which acts as a blowing agent for the film, very suitable conditions for the fine atomization and mixing of the liquid fuel into the oxidant flow are provided at the spatial contact point of the two streams. By high pulses of oxidant and auxiliary medium of the fuel can be introduced at a relatively low pressure, and it is still achieved a good atomization.

Weiterhin wird durch die räumliche Anordnung des Hilfsmediums zwischen dem Brennstoff und der stromabwärtigen Wand ein Kontakt des Brennstoffes mit der stromabwärtigen Wand vermieden. Dies verhindert weitgehend eine Rückstandsbildung und eine Zündung an der stromabwärtigen Wand.Furthermore, contact of the fuel with the downstream wall is avoided by the spatial arrangement of the auxiliary medium between the fuel and the downstream wall. This largely prevents residue formation and ignition on the downstream wall.

Als Brennstoff kann beispielsweise Öl verwendet werden. Zudem kann als Hilfsmedium Luft oder eine inerte Substanz verwendet werden. Als inerte Substanz kann insbesondere Stickstoff oder Dampf, beispielsweise Wasserdampf, verwendet werden. Vorteilhafterweise kann als Hilfsmediums Verdichterluft, also mithilfe eines Verdichters oder auf andere Weise komprimierte Luft, verwendet werden. Das Hilfsmedium ist vorteilhafterweise gekühlt.As fuel, for example, oil can be used. In addition, air or an inert substance can be used as the auxiliary medium. In particular, nitrogen or steam, for example water vapor, can be used as the inert substance. Advantageously, as an auxiliary medium compressor air, so using a compressor or otherwise compressed Air, to be used. The auxiliary medium is advantageously cooled.

Durch die Verwendung inerter Hilfsmedien, beispielsweise Dampf, Stickstoff oder gekühlte Luft, kann ein sicherer Betrieb auch bei sehr hohem Verdichteraustrittsdruck beziehungsweise bei sehr hohen Temperaturen ermöglicht werden. Zudem bewirkt die Verwendung von gasförmigen Inertstoffen oder gekühlter Verdichterluft als Hilfsmedium eine Verzögerung der Selbstzündung und ermöglicht damit längere Mischungswege.By using inert auxiliary media, for example steam, nitrogen or cooled air, safe operation can be enabled even at very high compressor outlet pressure or at very high temperatures. In addition, the use of gaseous inert materials or cooled compressor air as an auxiliary medium causes a delay of the auto-ignition and thus allows longer mixing paths.

Bei einer Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei relativ niedrigem Verdichterenddruck kann gegebenenfalls auf die Kühlung der Verdichterendluft verzichtet werden. Darüber hinaus kann die Menge des erforderlichen Hilfsmediums gegebenenfalls durch hohe Machzahlen verringert werden. Gegebenenfalls kann in diesem Fall ein Hilfsverdichter erforderlich sein.In an application of the present method at a relatively low compressor discharge may optionally be dispensed with the cooling of the compressor discharge air. In addition, the amount of required auxiliary medium may be reduced by high Mach numbers. Optionally, an auxiliary compressor may be required in this case.

Das Strahlrohr kann eine Mittelachse umfassen. Der Brennstoff und das Hilfsmedium können in diesem Fall in einem Winkel zwischen 0° und 90° zur Mittelachse in das Strahlrohr eingebracht werden. Vorteilhafterweise können der Brennstoff und das Hilfsmedium in einem Winkel zwischen 40° und 50° zur Mittelachse in das Strahlrohr eingebracht werden.The jet pipe may comprise a central axis. The fuel and the auxiliary medium can be introduced in this case at an angle between 0 ° and 90 ° to the central axis in the jet pipe. Advantageously, the fuel and the auxiliary medium can be introduced at an angle between 40 ° and 50 ° to the central axis in the jet pipe.

Der erfindungsgemäße Brenner umfasst mindestens ein Strahlrohr. Das Strahlrohr umfasst einen Ausgang und weist an seinem Umfang mindestens einen Zufuhrkanal mit einer zum Strahlrohrinneren hin gerichteten Öffnung auf, welcher mit einer Zufuhreinrichtung zur Zufuhr eines Zerstäuberhilfsmediums in das Strahlrohrinnere in strömungstechnischer Verbindung steht. Der Zufuhrkanal umfasst in Bezug auf eine zum Ausgang des Strahlrohres hin gerichtete Strömungsrichtung eine stromaufwärtige und eine stromabwärtige Wand. Die stromaufwärtige Wand ist mit einer Brennstoffzufuhr verbunden, die das Erzeugen eines Brennstofffilms an der stromaufwärtigen Wand ermöglicht. Der erfindungsgemäße Brenner eignet sich zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Er bietet daher dieselben Vorteile wie das erfindungsgemäße Verfahren.The burner according to the invention comprises at least one jet pipe. The jet pipe comprises an outlet and has at its circumference at least one supply channel with an opening directed towards the jet tube interior, which is in fluid communication with a supply device for supplying a Zerstäuberhilfsmediums in the jet tube interior. The feed channel includes an upstream and a downstream wall with respect to a flow direction directed toward the exit of the jet pipe. The upstream wall is connected to a fuel supply which allows the generation of a fuel film on the upstream wall. The burner according to the invention is suitable for Execution of the method according to the invention. It therefore offers the same advantages as the method according to the invention.

Insbesondere können der Zufuhrkanal als Ringkanal und die Öffnung als ein entlang des Umfanges des Strahlrohres verlaufende Ringspalt ausgestaltet sein. In diesem Fall ist das Strahlrohr typischerweise geteilt ausgestaltet. Der Ringspalt kann zur Einbringung von Flüssigbrennstoff dienen, der von dem Zerstäuberhilfsmedium als Film zur Zerstäubungskante zwischen einer Hauptströmung im Strahlrohr und der Strömung des Zerstäuberhilfsmediums getrieben wird. In diesem Fall wird die Zerstäubungskante durch die stromaufwärtige Kante des Ringspaltes gebildet.In particular, the supply channel can be configured as an annular channel and the opening as an annular gap running along the circumference of the jet tube. In this case, the jet pipe is typically designed split. The annulus may be for introducing liquid fuel which is propelled by the nebulizer aid medium as a film to the nebulizing edge between a main flow in the radiant tube and the flow of the nebulizing aid medium. In this case, the sputtering edge is formed by the upstream edge of the annular gap.

Das Strahlrohr und die Öffnung können jeweils eine Mittelachse umfassen. Die Mittelachse des Strahlrohres und die Mittelachse der Öffnung können einen Winkel zwischen 0° und 90° einschließen. Vorteilhafterweise können die Mittelachse des Strahlrohres und die Mittelachse der Öffnung einen Winkel zwischen 40° und 50° einschließen.The jet pipe and the opening may each comprise a central axis. The central axis of the jet pipe and the center axis of the opening may include an angle between 0 ° and 90 °. Advantageously, the center axis of the jet pipe and the center axis of the opening may include an angle between 40 ° and 50 °.

In einer speziellen Ausgestaltung des Brenners sind stromab des mindestens einen Zufuhrkanals in der Strahlrohrwand Effusionsöffnungen vorhanden, die insbesondere als Effusionsbohrungen ausgestaltet sein können. Mittels dieser Effusionsöffnungen können Ablagerungen an der Strahlrohrwand sowie eine Selbstzündung des Brennstoffs an der Strahlrohrwand zuverlässig vermieden werden.In a special embodiment of the burner effusion openings are present downstream of the at least one supply channel in the jet tube wall, which can be configured in particular as Effusionsbohrungen. By means of these effusion openings, deposits on the jet tube wall as well as auto-ignition of the fuel at the jet tube wall can be reliably avoided.

Die erfindungsgemäße Gasturbine umfasst einen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Brenner. Die erfindungsgemäße Gasturbine haben dieselben Vorteile wie der erfindungsgemäße Brenner. Mithilfe der erfindungsgemäßen Gasturbine lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren ausführen.The gas turbine according to the invention comprises a previously described burner according to the invention. The gas turbine according to the invention have the same advantages as the burner according to the invention. The gas turbine according to the invention can be used to carry out the process according to the invention.

Insgesamt wird durch die vorliegende Erfindung aufgrund der Verhinderung des Kontaktes des Brennstoffes mit der stromabwärtigen Wand durch das strömende Zerstäubermedium eine Rückstandsbildung und eine unerwünschte Zündung an dieser Wand weitgehend verhindert.Overall, the present invention due to the prevention of contact of the fuel with the downstream wall by the flowing Zerstäubermedium a residue formation and largely prevents unwanted ignition on this wall.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten FIGen näher beschrieben. Die beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft.

  • FIG 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Brenner gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels.
  • FIG 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Brenner gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels.
  • FIG 3 zeigt schematisch eine Gasturbine.
Further features, properties and advantages of the present invention will be described in more detail below with reference to embodiments with reference to the accompanying figures. The features described are advantageous both individually and in combination with each other.
  • FIG. 1 schematically shows a section through a burner according to a first embodiment.
  • FIG. 2 schematically shows a section through a burner according to a second embodiment.
  • FIG. 3 schematically shows a gas turbine.

Im Folgenden wird im Rahmen eines ersten Ausführungsbeispiels für den erfindungsgemäßen Brenner das erfindungsgemäße Verfahren anhand der FIG 1 näher erläutert. Die FIG 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch das Strahlrohr 1 eines erfindungsgemäßen Brenners. Das Strahlrohr 1 umfasst eine Mittelachse 2, einen Eingang 3 und einen Ausgang 4. Darüber hinaus weist das Strahlrohr 1 entlang seines Umfanges zwei einander gegenüber liegende Zufuhrkanäle 5a und 5b mit zum Inneren des Strahlrohres 1 gerichteten Öffnungen 16a, 16b auf. Die Mittelachsen der Zufuhrkanäle 5a und 5b sind durch die Bezugsziffern 6a und 6b gekennzeichnet. Die Kanäle 5a und 5b weisen jeweils eine stromaufwärtige Wand 7 und stromabwärtige Wand 8 beziehungsweise einen stromaufwärtigen und einen stromabwärtigen Wandbereich auf.In the following, in the context of a first exemplary embodiment of the burner according to the invention, the method according to the invention is described with reference to FIG FIG. 1 explained in more detail. The FIG. 1 schematically shows a section through the jet pipe 1 of a burner according to the invention. The jet pipe 1 comprises a central axis 2, an inlet 3 and an outlet 4. In addition, the jet pipe 1 along its circumference two opposing feed channels 5a and 5b with directed to the interior of the jet pipe 1 openings 16a, 16b. The center axes of the feed channels 5a and 5b are indicated by the reference numerals 6a and 6b. The channels 5a and 5b each have an upstream wall 7 and downstream wall 8 and an upstream and a downstream wall region, respectively.

Im Rahmen des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird Luft als Oxidationsmittel durch das Strahlrohr 1 geleitet. Die Strömungsrichtung der Luft ist durch die Bezugsziffer 10 gekennzeichnet.In the context of the present embodiment, air is passed through the jet pipe 1 as an oxidizing agent. The direction of flow of the air is indicated by the reference numeral 10.

In den Kanälen 5a und 5b wird an der stromaufwärtigen Wand 7 ein Film aus einem flüssigen Brennstoff, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Öl, erzeugt. Gleichzeitig wird ein Hilfsmedium derart durch die Zufuhrkanäle 5a, 5b geleitet, dass das Öl entlang der stromaufwärtigen Wand 7 als Film zum Strahlrohr 1 hin getrieben und am Eingang zum Strahlrohr 1 an einer dort befindlichen Zerstäuberkante 13 zerstäubt wird.In the channels 5a and 5b, a film of a liquid fuel, in the present embodiment, oil is produced on the upstream wall 7. At the same time, an auxiliary medium passed through the supply channels 5a, 5b so that the oil is driven along the upstream wall 7 as a film towards the jet pipe 1 and is atomized at the entrance to the jet pipe 1 at an atomizing edge 13 located there.

Durch das Hilfsmedium, das einen Puffer zwischen dem Brennstofffilm und der stromabwärtigen Wand 8 bildet, wird ein Kontakt des Öls mit der stromabwärtigen Wand 8 vermieden. Dadurch werden eine Rückstandsbildung und eine Zündung an der stromabwärtigen Wand verhindert. Die Strömungsrichtung des Öls ist durch die Bezugsziffer 11 gekennzeichnet, die Strömungsrichtung des Hilfsmediums ist durch die Bezugsziffer 12 gekennzeichnet.By the auxiliary medium forming a buffer between the fuel film and the downstream wall 8, contact of the oil with the downstream wall 8 is avoided. This prevents residue formation and ignition on the downstream wall. The flow direction of the oil is indicated by the reference numeral 11, the flow direction of the auxiliary medium is indicated by the reference numeral 12.

Bei dem Hilfsmedium kann es sich beispielsweise um Luft, insbesondere gekühlte Verdichterluft, Dampf, insbesondere Wasserdampf, Stickstoff oder eine anderes inertes Hilfsmedium handeln.The auxiliary medium may be, for example, air, in particular cooled compressor air, steam, in particular water vapor, nitrogen or another inert auxiliary medium.

Weiterhin können das Öl und das verwendete Hilfsmedium in einem Winkel α zwischen 0° und 90°, vorteilhafterweise zwischen 40° und 50°, zur Mittelachse 2 in das Strahlrohr 1 eingebracht werden. Der Winkel α ist mit der Bezugsziffer 9 gekennzeichnet.Furthermore, the oil and the auxiliary medium used at an angle α between 0 ° and 90 °, advantageously between 40 ° and 50 °, are introduced to the central axis 2 in the jet pipe 1. The angle α is indicated by the reference numeral 9.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform sind zwischen den Kanälen 5a und 5b und dem Ausgang 4 Effusionsbohrungen in der Strahlrohrwand vorhanden, die der Bildung von Ablagerungen an der Strahlrohrwand sowie einer Selbstzündung des Brennstoffs an der Strahlrohrwand ebenfalls entgegenwirken.In a further development of this embodiment, effusion bores are present in the jet tube wall between the channels 5a and 5b and the outlet 4, which likewise counteract the formation of deposits on the jet tube wall and also the self-ignition of the fuel at the jet tube wall.

Im Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der FIGen 2 und 3 näher erläutert. Elemente, die Elementen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern versehen und werden nicht erneut im Detail beschrieben.In the following, a second embodiment of the present invention will be explained in more detail with reference to FIGS. 2 and 3. Elements corresponding to elements of the first embodiment are given the same reference numerals and will not be described again in detail.

Die FIG 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch das Strahlrohr eines erfindungsgemäßen Brenners. Das in der FIG 2 gezeigte Strahlrohr umfasst zwei Teile 1a und 1b. Zwischen den beiden Teilen 1a und 1b des Strahlrohres ist ein Ringkanal 5c mit einer zum Inneren des Strahlrohres 1a, 1b hin offenen Öffnung 16c ausgebildet. Die Öffnung 16c bildet hierbei einen Ringspalt in der Umfangswand des Strahlrohres.The FIG. 2 schematically shows a section through the jet pipe of a burner according to the invention. That in the FIG. 2 shown jet pipe comprises two parts 1a and 1b. Between the two parts 1a and 1b of the jet pipe, an annular channel 5c is formed with an opening 16c open towards the interior of the jet pipe 1a, 1b. The opening 16c in this case forms an annular gap in the peripheral wall of the jet pipe.

Der Ringkanal 5c ist mit einer Brennstoffzufuhr 14 und einer Zufuhr eines Zerstäuberhilfsmediums 15 verbunden. Bei der Brennstoffzufuhr 14 kann es sich insbesondere um eine Ölzufuhr handeln. Bei dem Zerstäuberhilfsmedium kann es sich beispielsweise um Luft, insbesondere gekühlte Verdichterluft, um Dampf, insbesondere um Wasserdampf, Stickstoff oder ein andres inertes Hilfsmedium handeln.The annular channel 5 c is connected to a fuel supply 14 and a supply of a Zerstäuberhilfsmediums 15. The fuel supply 14 may in particular be an oil supply. The atomizer auxiliary medium may be, for example, air, in particular cooled compressor air, steam, in particular steam, nitrogen or another inert auxiliary medium.

Die Brennstoffzufuhr 14 ist so angeordnet, dass der zugeführte Brennstoff an der stromaufwärtigen Wand 7 des Ringkanals 5c als Film in Richtung auf das Strahlrohr strömt. Die Strömungsrichtung des Brennstoffes ist durch die Bezugsziffer 11 gekennzeichnet.The fuel supply 14 is arranged so that the supplied fuel flows on the upstream wall 7 of the annular channel 5c as a film in the direction of the jet pipe. The flow direction of the fuel is indicated by the reference numeral 11.

Die Zufuhr 15 für das Zerstäuberhilfsmedium ist so ausgestaltet, dass das Zerstäuberhilfsmedium den verwendeten Brennstoff als Film in Richtung auf das Strahlrohr treibt und an der Zerstäuberkante 13 am Eingang in das Strahlrohr zerstäubt. Das Zerstäuberhilfsmedium verhindert hierbei einen Kontakt zwischen dem Brennstoff 11 und der stromabwärtigen Wand 8. Dadurch wird eine Rückstandsbildung und eine Zündung an der stromabwärtigen Wand 8 weitgehend vermieden. Die Strömungsrichtung des Zerstäuberhilfsmediums ist durch die Bezugsziffer 12 gekennzeichnet.The nebulizer auxiliary supply 15 is configured so that the nebulizer aid drives the fuel used as a film toward the jet pipe and nebulizes it at the nebulizer edge 13 at the entrance to the jet pipe. The atomizer auxiliary medium prevents contact between the fuel 11 and the downstream wall 8. As a result, residue formation and ignition at the downstream wall 8 are largely avoided. The flow direction of the atomizer auxiliary medium is indicated by the reference numeral 12.

Das Zentrum des Ringkanals 5c kann einen gedachten Kegelmantel 6 bilden, der mit der Mittelachse 2 des Strahlrohres 1a, 1b einen Winkel α (Bezugsziffer 9) zwischen 0° und 90°, insbesondere zwischen 40° und 50° einschließt.The center of the annular channel 5c may form an imaginary cone shell 6, which forms an angle α (reference numeral 9) between 0 ° and 90 °, in particular between 40 ° and 50 ° with the central axis 2 of the jet pipe 1a, 1b.

Ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel können im zweiten Ausführungsbeispiel zwischen dem Ringspalt 5c und dem Ausgang 4 Effusionsbohrungen in der Strahlrohrwand vorhanden sein, die der Bildung von Ablagerungen an der Strahlrohrwand sowie einer Selbstzündung des Brennstoffs an der Strahlrohrwand ebenfalls entgegenwirken.Similar to the first embodiment, in the second embodiment between the annular gap 5c and the output 4 effusion holes may be present in the jet tube wall, which also counteract the formation of deposits on the jet tube wall and a self-ignition of the fuel at the jet tube wall.

Die FIG 3 zeigt schematisch eine Gasturbine. Eine Gasturbine weist im Inneren einen um eine Rotationsachse drehgelagerten Rotor mit einer Welle 107 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 109, ein Verdichter 101, ein Verbrennungssystem 151 mit einer Anzahl von Stahlbrennern 1, eine Turbine 105 und das Abgasgehäuse 190. Das Verbrennungssystem 151 mit den erfindungsgemäßen Brennern kann grundsätzlich eine Ringbrennkammer oder eine Mehrzahl von Rohrbrennkammern umfassen.The FIG. 3 schematically shows a gas turbine. A gas turbine has inside a rotor rotatably mounted about a rotation axis with a shaft 107, which is also referred to as a turbine runner. Along the rotor follow one another an intake housing 109, a compressor 101, a combustion system 151 with a number of steel burners 1, a turbine 105 and the exhaust housing 190. The combustion system 151 with the burners according to the invention may basically comprise an annular combustion chamber or a plurality of tube combustion chambers.

Das Verbrennungssystem 151 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 105. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelkränzen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißgaskanal einer Leitschaufelkranz 117 ein aus Laufschaufeln 115 gebildeter Kranz. Die Leitschaufeln 117 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 115 am Rotor angebracht sind. An dem Rotor angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine.The combustion system 151 communicates with a, for example, annular hot gas channel. There, several turbine stages connected in series form the turbine 105. Each turbine stage is formed by blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium, a vane collar 117 is followed by a ring formed by blades 115 in the hot gas duct. The vanes 117 are attached to an inner housing of a stator, whereas the blades 115 are mounted on the rotor. Coupled to the rotor is a generator or a work machine.

Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 101 durch das Ansauggehäuse 109 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 101 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu dem Verbrennungssystem 151 geführt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann mit Hilfe der Stahlbrenner 1 unter Bildung des Arbeitsmediums im Verbrennungssystem 151 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 117 und den Laufschaufeln 115 vorbei. An den Laufschaufeln 115 entspannt sich das Arbeitsmedium impuls-übertragend, so dass die Laufschaufeln 115 den Rotor antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine bzw. Generator (nicht dargestellt) sowie den Verdichter.During operation of the gas turbine, air is sucked in and compressed by the compressor 101 through the intake housing 109. The compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 101 is fed to the combustion system 151 where it is mixed with a fuel. The mixture is then burned by means of the steel burners 1 to form the working medium in the combustion system 151. From there, the working medium flows past the guide vanes 117 and the rotor blades 115 along the hot gas channel. At the rotor blades 115, the working medium relaxes in a pulse-transmitting manner, so that the blades 115 drive the rotor and this the coupled thereto working machine or generator (not shown) and the compressor.

Claims (14)

Verfahren zum Betrieb eines Brenners, welcher mindestens ein Strahlrohr (1, 1a, 1b) umfasst, durch welches ein Oxidationsmittel (10) strömt, wobei das Strahlrohr (1, 1a, 1b) an seinem Umfang mindestens einen Zufuhrkanal (5a, 5b, 5c) mit einer zum Inneren des Strahlrohres (1, 1a, 1b) gerichteten Öffnung (16a, 16b, 16c) umfasst, der in Bezug auf die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels (10) eine stromaufwärtige Wand (7) und eine stromabwärtige Wand (8) besitzt,
in dem ein flüssiger Brennstoff (11) entlang der stromaufwärtigen Wand (7) durch die Öffnung (5a, 5b, 5c) in das Strahlrohr (1, 1a, 1b) eingebracht und mit Hilfe eines zwischen dem Brennstoff und der stromabwärtigen Wand (8) durch die Öffnung (5a, 5b, 5c) in das Strahlrohr (1, 1a, 1b) strömenden Hilfsmediums (12) zerstäubt wird.Method for operating a burner, which comprises at least one jet pipe (1, 1a, 1b) through which an oxidizing agent (10) flows, wherein the jet pipe (1, 1a, 1b) has at least one feed channel (5a, 5b, 5c ) with an opening (16a, 16b, 16c) directed towards the interior of the jet pipe (1, 1a, 1b) and having an upstream wall (7) and a downstream wall (8) with respect to the flow direction of the oxidizing agent (10) .
in which a liquid fuel (11) is introduced along the upstream wall (7) through the opening (5a, 5b, 5c) into the jet pipe (1, 1a, 1b) and by means of an intermediate between the fuel and the downstream wall (8). through the opening (5a, 5b, 5c) in the jet pipe (1, 1a, 1b) flowing auxiliary medium (12) is atomized. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff (11) Öl verwendet wird.Method according to claim 1,
characterized in that as fuel (11) oil is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsmedium (12) Luft oder eine inerte Substanz verwendet wird.Method according to claim 1 or 2,
characterized in that as an auxiliary medium (12) air or an inert substance is used. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass als inerte Substanz Stickstoff oder Dampf verwendet wird.Method according to claim 3,
characterized in that nitrogen or steam is used as the inert substance. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsmedium (12) gekühlte Verdichterluft verwendet wird.Method according to claim 3,
characterized in that cooled compressor air is used as the auxiliary medium (12). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass als das das Strahlrohr (1, 1a, 1b) durchströmende Oxidationsmittel (10) Luft verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 5,
characterized in that air is used as the oxidizing agent (10) flowing through the jet pipe (1, 1a, 1b). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlrohr (1, 1a, 1b) eine Mittelachse (2) umfasst und der Brennstoff (11) und das Hilfsmedium (12) in einem Winkel zwischen 0° und 90° zur Mittelachse (2) in das Strahlrohr (1, 1a, 1b) eingebracht werden.Method according to one of claims 1 to 6,
characterized in that the jet pipe (1, 1a, 1b) comprises a central axis (2) and the fuel (11) and the auxiliary medium (12) at an angle between 0 ° and 90 ° to the central axis (2) in the jet pipe (1 , 1a, 1b) are introduced. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (11) und das Hilfsmedium (12) in einem Winkel zwischen 40° und 50° zur Mittelachse (2) in das Strahlrohr (1, 1a, 1b) eingebracht werden.Method according to claim 7,
characterized in that the fuel (11) and the auxiliary medium (12) at an angle between 40 ° and 50 ° to the central axis (2) in the jet pipe (1, 1a, 1b) are introduced. Brenner, der mindestens ein Strahlrohr (1, 1a, 1b) umfasst, welches einen Ausgang (4) und an seinem Umfang mindestens einen Zufuhrkanal (5a, 5b, 5c) mit einer zum Inneren des Strahlrohres gerichteten Öffnung (16a, 16b, 16c) aufweist, wobei der Zufuhrkanal (5a, 5b, 5c) in Bezug auf eine zum Ausgang (4) des Strahlrohres (1, 1a, 1b) hin gerichtete Strömungsrichtung (10) eine stromaufwärtige Wand (7) und eine stromabwärtige Wand (8) umfasst, der Zufuhrkanal (5a, 5b, 5c) mit einer Zufuhreinrichtung (15) zur Zufuhr eines Zerstäuberhilfsmediums (12) in strömungstechnischer Verbindung steht und die stromaufwärtige Wand (7) mit einer Brennstoffzufuhr (14) verbunden ist, die das Erzeugen eines Brennstofffilms an der stromaufwärtigen Wand ermöglicht.Burner comprising at least one jet pipe (1, 1a, 1b) having an outlet (4) and at its circumference at least one supply channel (5a, 5b, 5c) with an opening (16a, 16b, 16c) directed towards the interior of the jet pipe wherein the supply channel (5a, 5b, 5c) comprises an upstream wall (7) and a downstream wall (8) with respect to a flow direction (10) directed towards the outlet (4) of the jet pipe (1, 1a, 1b) said supply channel (5a, 5b, 5c) is in fluid communication with supply means (15) for supplying a nebulizing aid medium (12), and said upstream wall (7) is connected to a fuel supply (14) for generating a fuel film at said supply upstream wall allows. Brenner nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Zufuhrkanal (5c) als Ringkanal und die Öffnung (16c) als entlang des Umfanges des Strahlrohres (1, 1a, 1b) verlaufender Ringspalt ausgestaltet sind.Burner according to claim 9,
characterized in that the supply channel (5c) as an annular channel and the opening (16c) as along the circumference of the jet pipe (1, 1a, 1b) extending annular gap are configured. Brenner nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlrohr (1, 1a, 1b) und die Öffnung jeweils eine Mittelachse umfassen, wobei die Mittelachse (2) des Strahlrohres (1, 1a, 1b) und die Mittelachse (6) der Öffnung (5a, 5b, 5c) einen Winkel (9) zwischen 0° und 90° einschließen.Burner according to claim 9 or 10,
characterized in that the jet pipe (1, 1a, 1b) and the opening each comprise a central axis, wherein the central axis (2) of the jet pipe (1, 1a, 1b) and the central axis (6) the opening (5a, 5b, 5c) include an angle (9) between 0 ° and 90 °. Brenner nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (2) des Strahlrohres (1, 1a, 1b) und die Mittelachse (6) der Öffnung (5a, 5b, 5c) einen Winkel (9) zwischen 40° und 50° einschließen.Burner according to claim 11,
characterized in that the central axis (2) of the jet pipe (1, 1a, 1b) and the central axis (6) of the opening (5a, 5b, 5c) enclose an angle (9) between 40 ° and 50 °. Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass stromab des mindestens einen Zufuhrkanals (5a, 5b, 5c) Effusionsöffnungen in der Strahlrohrwand vorhanden sind.Burner according to one of claims 9 to 12,
characterized in that downstream of the at least one supply channel (5a, 5b, 5c) effusion openings in the jet tube wall are present. Gasturbine, die wenigstens einen Brenner nach einem der Ansprüche 9 bis 13 umfasst.Gas turbine comprising at least one burner according to one of claims 9 to 13.
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