EP2256413A1 - Brenner, Betriebsverfahren und Montageverfahren - Google Patents

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EP2256413A1
EP2256413A1 EP09161187A EP09161187A EP2256413A1 EP 2256413 A1 EP2256413 A1 EP 2256413A1 EP 09161187 A EP09161187 A EP 09161187A EP 09161187 A EP09161187 A EP 09161187A EP 2256413 A1 EP2256413 A1 EP 2256413A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pilot
insert
cone
pilot cone
burner
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Withdrawn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
EP09161187A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Giacomo Colmegna
Ulrich Wörz
Jaap Van Kampen
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens 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 Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP09161187A priority Critical patent/EP2256413A1/de
Publication of EP2256413A1 publication Critical patent/EP2256413A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/343—Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
    • 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
    • F23R3/283—Attaching or cooling of fuel injecting means including supports for fuel injectors, stems, or lances
    • 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
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00005—Preventing fatigue failures or reducing mechanical stress in gas turbine components
    • 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
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00017—Assembling combustion chamber liners or subparts

Definitions

  • the present invention relates to a burner comprising a pilot cone and a carrier insert. Furthermore, the invention relates to an operating method for increasing the service life of a burner. In addition, the invention relates to a mounting method for mounting and dismounting a pilot cone assembly of a burner from a carrier insert, the pilot cone assembly comprising a pilot cone and an inner pilot insert, wherein the inner pilot insert is disposed between the carrier insert and the pilot cone.
  • gas turbines include the following components: a compressor to compress air; a combustion chamber for generating a hot gas by burning fuel in the presence of compressed air generated by the compressor; and a turbine for relaxing the hot gas generated by the combustion chamber. It is also known that gas turbines give off unwanted nitrogen oxides (NOx) and carbon monoxide (CO).
  • NOx nitrogen oxides
  • CO carbon monoxide
  • One factor that is known to affect the emission of NOx is the combustion temperature. The amount of discharged NOx reduces as the combustion temperature is lowered. However, higher combustion temperatures are desirable to achieve higher efficiency and oxidation of the CO.
  • Two-stage combustion systems have been developed to ensure efficient combustion and reduced emissions of NOx.
  • diffusion combustion is performed in the first stage to achieve the ignition and stability of the flame.
  • premixed combustion is performed to reduce emissions of NOx.
  • a typical prior art combustor 10 includes a nozzle housing 6 having a nozzle body lower portion 5.
  • An ignition nozzle 1 for diffusion of the fuel having an injection port 4 for the pilot fuel passes through the nozzle housing 6 and is fixed to the lower part 5 of the nozzle housing.
  • the main fuel nozzles 2 are parallel to the ignition nozzle 1 through the nozzle housing 6 and are fixed to the lower part 5 of the nozzle housing.
  • the fuel inlets 16 supply the main fuel nozzles 2 with fuel.
  • a main combustion zone 9 is formed within the liner 19.
  • a pilot cone 20 protrudes from the vicinity of the injection port 4 for the pilot fuel of the ignition nozzle 1 and has a widened end 22 in addition to the main combustion zone 9.
  • the pilot cone 20 has a linear profile 21, which forms a zone 23 for the pilot flame.
  • the compressed air 101 flows from the compressor 50 between support ribs 7 through the main fuel swirlers 8 into the main combustion zone 9.
  • Each main fuel swirling device 8 has a plurality of swirl vanes 80.
  • the compressed air 12 passes through a set of plates 10 located inside the ignition swirler 11 are in the zone of pilot light.
  • the compressed air 12 mixes within the pilot cone 20 with the pilot fuel 30 and is transported to the zone 23 of the pilot flame, where it burns.
  • Radiation flame based combustion systems offer advantages over spin stabilized systems due to the distributed heat release zones and the lack of swirl induced swirls, especially from a thermoacoustic point of view.
  • the jet flames are stabilized by mixing in hot recirculating gases.
  • the necessary temperatures of the recirculation zone can in gas turbines, especially in lower part load range, not guaranteed by the known ring arrangement of the beams with a central recirculation zone. Therefore, an additional piloting is also required here, which also consists of a pilot burner and a pilot cone.
  • the pilot cone is welded to a carrier insert.
  • the combustion chamber is supplied, for example by means of suitable passages, fuel or combustion air.
  • thermal expansions occur. These are different thermal expansions of the various components as well as the radial thermal expansion of the pilot cone. Due to the fixed welded joint, however, these thermal strains are hindered, which leads to very high stresses on the cone itself. Due to the stresses occurring during operation, the components are damaged, for example, by cracks and must therefore be replaced sooner. Therefore, the prevention of thermal expansion leads to a reduction in the cyclic life of the components, in particular the cone.
  • this object is achieved according to the invention by specifying a burner, comprising a pilot cone and a carrier insert, wherein the pilot cone and the carrier insert are thermally decoupled.
  • the invention is based on the recognition that the service life of the components, ie the pilot cone and the carrier insert by the obstruction of the thermal expansion of the components in the radial and axial direction and the associated voltages occurring is significantly impaired. With the help of the invention, this is precisely what is prevented.
  • the thermal decoupling of the two components leads to the thermal expansions being made possible, which in turn leads to a longer service life of the pilot cone by reducing the voltages.
  • an inner pilot insert is provided between the carrier insert and the pilot cone. This runs essentially parallel to the pilot cone.
  • openings are provided on the inner pilot insert. These openings may be, for example, holes. Through these openings cooling air is guided, which causes a baffle cooling at the pilot cone. This impingement cooling enables more effective cooling of the pilot cone. As a result, cooling with a relatively low cooling air flow is possible, whereby cooling air can be saved.
  • the openings may have different diameters, depending on the cooling requirement of the pilot cone. Thus, more cooling air can be supplied at critical points than at non-critical points. For the same reason, the openings may also be distributed differently.
  • the pilot cone is welded to the inner pilot insert.
  • the welding is provided at the upstream end of the pilot insert. It can be seen downstream in the direction of flow of the fuel of the burner, upstream against the flow direction of the burner.
  • the inner pilot insert is further bolted to the carrier insert.
  • the pilot cone is attached via the inner pilot insert to the carrier insert.
  • a defined gap is provided between the pilot cone and the carrier insert.
  • the gap now allows thermal expansion in the radial and axial directions. This gap is calculated so that after reaching the operating temperature the gap is closed.
  • the cone seals in operation as in the tightly welded cone that is, as in a cone according to the prior art (vg. Fig.2 ). In this case, however, the voltages are lower, resulting in a longer life of the cone and the carrier use.
  • a gas turbine is designed with such a burner.
  • this object is achieved according to the invention by specifying an operating method for increasing the service life of a burner, which comprises a pilot cone and a carrier insert, wherein the pilot cone is arranged at such a distance that a defined gap is provided between pilot cone and carrier insert, which in the Operation is substantially closed by the thermal expansion.
  • the cone is cold, for example, directly on the inner pilot insert. After reaching the operating temperature, the gap is closed by thermally stretching either the cone alone or the cone and the carrier insert. Thus, the cone seals tightly during operation.
  • an inner pilot insert with openings is present between the pilot cone and a carrier insert, by means of which the pilot cone is cooled by impingement air.
  • the resulting impingement air cooling cools the cone with a small flow of cooling air, which allows cooling air to be saved.
  • this object is achieved by specifying a mounting method for mounting and dismounting a pilot cone assembly of a burner from a carrier insert, wherein the pilot cone assembly comprises a pilot cone and an inner pilot insert, wherein the inner pilot insert between carrier insert and pilot cone arranged is, wherein the inner pilot insert is bolted to the carrier insert during assembly / disassembly.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a burner with a pilot cone according to the prior art.
  • the pilot cone 20 is welded to a carrier insert 110 and serves as a transition between pilot burner 140 and carrier insert 110, which abuts against the combustion chamber inner wall 120. This has, inter alia, passages which lead the combustion air to the combustion chamber 130.
  • the pilot cone 20 is externally welded to the carrier insert 110 with at least one welding point 170. Inside it sits by means of a sliding seat 150 on the pilot burner 140. In operation, however, thermal induced strains occur, inter alia, also in the radial direction. Due to the weld and the sliding seat 150, however, this thermally occurring strain is severely limited. As a result, strong, very high voltages occur on the cone 20. However, these thermal stresses lead to a reduction of the cyclic life.
  • Fig. 3 shows a burner according to the invention with pilot cone 100 according to the invention and carrier insert 110.
  • This instead of the weld 170 between carrier insert 110 and pilot cone 200 now has a defined gap 180.
  • the gap 180 allows thermal expansion in the radial 220 as well as in the axial 230 direction.
  • the carrier insert 110 and the pilot cone 200 are thus decoupled and may, for example, expand to different extents during operation.
  • an inner pilot insert 190 is provided between pilot cone 200 and carrier insert 110.
  • This has openings 160 at suitable locations. This can be, for example, small holes. Through these openings 160, cooling air exits in the direction of the pilot cone 200. As a result, the pilot cone 200 is cooled.
  • the case made on the pilot cone 200 cooling corresponds to an impingement cooling. This has the significant advantage that only a small flow of cooling air is needed to cool the pilot cone 200.
  • the openings 160 may be evenly distributed over the inner pilot insert 190, or accumulated at particularly critical locations. Thus, an efficient cooling of the pilot cone 200 is effected, which also has a life-prolonging effect. In addition, the low cooling air consumption can reduce the NOx levels during combustion.
  • the inner pilot insert 190 and the pilot cone 200 are connected to one another at a welding point 280 with each other welded. The welding point 280 is mounted upstream, since there prevail relatively lower temperatures than in the combustion chamber. This promotes the durability of the welding point 280.
  • the pilot cone 200 is fastened to the carrier insert 110 via the inner pilot insert 190.
  • Fig. 4 shows the burner according to the invention with pilot cone 200 and carrier insert 110 in the cold state
  • Fig. 5 the burner according to the invention with pilot cone 200 and carrier insert 110 in operation.
  • the pilot cone 200 expands in the axial direction 230 and in the radial direction 220.
  • the gap 180 is calculated so that after reaching the operating temperature of the pilot cone 200 on the support insert 110 is almost applied, that is, the gap 180 is almost closed.
  • the pilot cone 200 seals in operation like a welded cone. Due to the allowed thermal expansions, however, the voltages are lower; whereby the life of both the pilot cone 200 and the carrier insert 110 increases. Also disturbances of the operation by faulty component components (fine cracks etc) are avoided.
  • Fig. 6 shows a mounting of the pilot cone 200 of the burner according to the invention.
  • the inner pilot insert 190 is fastened to the carrier insert 110 via a screw connection 250.
  • the pilot cone assembly that is, the pilot cone 200 itself as well as the inner pilot insert 190 and the carrier insert 110 can thus be easily assembled and disassembled.
  • the carrier insert 110 as well as the pilot cone 200 can be easily replaced separately. This saves on the one hand costs by saving time on the other costs by the separately exchangeable components themselves.
  • the pilot cone 200 and the inner pilot insert 190 are thus installed "forward" through the screw 250.
  • the inventive method and the burner according to the invention with a thermally decoupled pilot cone 200 and the carrier insert 110 it is thus possible to substantially reduce the stresses on the pilot cone 200.
  • the pilot cone 200 and the carrier insert 110 according to the invention have a longer service life.
  • By the burner according to the invention with the inner pilot insert 190 also an impingement cooling of the pilot cone 200 is possible. This leads to a significant cooling air savings.
  • the defined use of impingement cooling at particularly critical points represents a further increase in the service life of the individual components.
  • the improved assembly method increases the assembly / disassembly of the pilot cone assembly.
  • the actual decoupling between pilot cone 200 and carrier insert 110 contributes to improved assembly / disassembly of both components.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner umfassend einem Pilotkonus (200) sowie einem Trägereinsatz (110), wobei der Pilotkonus (200) und der Trägereinsatz (110) thermisch entkoppelt sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Betriebsverfahren zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brenners, welcher einen Pilotkonus (200) und einen Trägereinsatz (110) umfasst, wobei der Pilotkonus (200) derart beabstandet angeordnet ist, dass ein definierter Spalt (180) zwischen Pilotkonus (200) und Trägereinsatz (110) vorgesehen ist, welcher im Betrieb durch die thermische Expansion im Wesentlichen geschlossen wird. Zudem betrifft die Erfindung ein Montageverfahren zum Montieren und Demontieren einer Pilot-Konus Baugruppe eines Brenners von einem Trägereinsatz (110).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner umfassend einem Pilotkonus sowie einen Trägereinsatz. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Betriebsverfahren zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brenners. Zudem betrifft die Erfindung ein Montageverfahren zum Montieren und Demontieren einer PilotKonus Baugruppe eines Brenners von einem Trägereinsatz, wobei die Pilot-Konus Baugruppe einen Pilotkonus sowie einen inneren Piloteinsatz umfasst, wobei der innere Piloteinsatz zwischen Trägereinsatz und Pilotkonus angeordnet ist.
  • Es ist bekannt, dass Gasturbinen folgende Komponenten enthalten: einen Verdichter, um Luft zu verdichten; eine Brennkammer zur Erzeugung eines heißen Gases, indem Brennstoff in der Anwesenheit von verdichteter Luft, die von dem Verdichter erzeugt wurde, verbrannt wird; und eine Turbine für die Entspannung des heißen Gases, das von der Brennkammer erzeugt wurde. Weiterhin ist bekannt, dass Gasturbinen unerwünschte Stickstoffoxide (NOx) und Kohlenmonoxid (CO) abgeben. Ein Faktor, der bekanntermaßen die Emission von NOx beeinflusst, ist die Verbrennungstemperatur. Der Umfang des abgegebenen NOx reduziert sich, wenn die Verbrennungstemperatur gesenkt wird. Allerdings sind höhere Verbrennungstemperaturen wünschenswert, um einen höheren Wirkungsgrad und eine Oxidation des CO zu erreichen.
  • Man hat zweistufige Verbrennungssysteme entwickelt, die für eine effiziente Verbrennung und reduzierte Emissionen von NOx sorgen. In einem zweistufigen Verbrennungssystem wird in der ersten Stufe eine Diffusionsverbrennung durchgeführt, um die Zündung und die Stabilität der Flamme zu erreichen. In der zweiten Stufe wird eine Verbrennung mit Vormischung durchgeführt, um die Emissionen von NOx zu verringern.
  • Wie in Figur 1 gezeigt ist, umfasst eine typische Brennkammer 10 nach dem Stand der Technik ein Düsengehäuse 6 mit einem Unterteil 5 für das Düsengehäuse. Eine Zünddüse 1 für die Diffusion des Brennstoffs, die eine Einspritzöffnung 4 für den Zündbrennstoff aufweist, verläuft durch das Düsengehäuse 6 und ist an dem Unterteil 5 des Düsengehäuses befestigt. Die Hauptbrennstoffdüsen 2 verlaufen parallel zu der Zünddüse 1 durch das Düsengehäuse 6 und sind an dem Unterteil 5 des Düsengehäuses befestigt. Die Brennstoffeinlässe 16 versorgen die Hauptbrennstoffdüsen 2 mit Brennstoff. Eine Hauptverbrennungszone 9 wird innerhalb der Auskleidung 19 gebildet. Ein Pilotkonus 20 ragt aus der Nähe der Einspritzöffnung 4 für den Zündbrennstoff der Zünddüse 1 hervor und hat neben der Hauptverbrennungszone 9 ein verbreitertes Ende 22. Der Pilotkonus 20 hat ein lineares Profil 21, das eine Zone 23 für die Zündflamme bildet.
  • Die verdichtete Luft 101 strömt von dem Verdichter 50 zwischen Stützrippen 7 durch die Hauptbrennstoffverwirbelungsvorrichtungen 8 in die Hauptverbrennungszone 9. Jede Hauptbrennstoffverwirbelungsvorrichtung 8 verfügt über eine Vielzahl von Verwirbelungsblechen 80. Die verdichtete Luft 12 dringt durch einen Satz von Blechen 10, die sich innerhalb der Zündverwirbelungsvorrichtung 11 befinden, in die Zone der Zündflamme ein. Die verdichtete Luft 12 vermischt sich innerhalb des Pilotkonus 20 mit dem Zündbrennstoff 30 und wird in die Zone 23 der Zündflamme transportiert, wo sie verbrennt.
  • Ein anderes Brennersystem ist das auf Strahlflammen basierte Verbrennungssystem. Auf Strahlflammen basierende Verbrennungssysteme bieten gegenüber drallstabilisierten Systemen aufgrund der verteilten Wärmefreisetzungszonen und der fehlenden drallinduzierten Wirbel, insbesondere aus thermoakustischer Sicht Vorteile.
  • Die Strahlflammen werden durch Einmischen heißer rezirkulierender Gase stabilisiert. Die hierfür nötigen Temperaturen der Rezirkulationszone können in Gasturbinen, insbesondere im unteren Teillastbereich, durch die bekannte Ringanordnung der Strahlen mit einer zentralen Rezirkulationszone nicht gewährleistet werden. Daher ist auch hier eine zusätzliche Pilotierung benötigt, welche ebenfalls aus einem Pilotbrenner und einem Pilotkonus besteht.
  • Der Pilotkonus ist dabei an einen Trägereinsatz angeschweißt. Durch diesen Trägereinsatz wird beispielsweise mittels geeigneter Passagen, Brennstoff oder Verbrennungsluft der Brennkammer zugeführt. Im Betrieb treten thermische Expansionen auf. Es handelt sich hierbei um unterschiedliche thermische Expansionen der verschiedenen Bauteile als auch durch die radiale thermische Expansion des Pilotkonus. Durch die feste Schweißverbindung werden diese thermischen Dehnungen jedoch behindert, was zu sehr hohen Spannungen am Konus selber führt. Durch die im Betrieb auftretenden Spannungen werden die Bauteile beispielsweise durch Risse beschädigt und müssen somit eher ausgetauscht werden. Daher führen die Verhinderung der thermischen Expansion zu einer Verringerung der zyklischen Lebensdauer der Bauteile, insbesondere des Konus.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenner anzugeben welcher eine längere Lebensdauer aufweist. Weiterhin ist es eine Aufgabe ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brenners anzugeben. Zudem ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung ein Montageverfahren für einen Brenner anzugeben.
  • Bezogen auf den Brenner wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Angabe eines Brenners gelöst, umfassend einem Pilotkonus sowie einen Trägereinsatz, wobei der Pilotkonus und der Trägereinsatz thermisch entkoppelt sind.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Lebensdauer der Bauteile, d.h. des Pilotkonus und des Trägereinsatzes durch die Behinderung der thermische Expansion der Bauteile in radialer und axialer Richtung und die damit verbundenen auftretenden Spannungen wesentlich beeinträchtigt ist. Mithilfe der Erfindung wird nun genau das verhindert. Die thermische Entkopplung der beiden Bauteile führt dazu, dass die thermischen Expansionen ermöglicht werden, was wiederum zu einer höheren Lebensdauer des Pilotkonus durch eine Verringerung der Spannungen führt.
  • Bevorzugt ist zwischen Trägereinsatz und Pilotkonus ein innerer Piloteinsatz vorgesehen. Dieser verläuft im Wesentlichen parallel zum Pilotkonus.
  • In bevorzugter Ausgestaltung sind am inneren Piloteinsatz Öffnungen vorgesehen. Diese Öffnungen können beispielsweise Bohrungen sein. Durch diese Öffnungen wird Kühlluft geführt, welche eine Prallkühlung am Pilotkonus bewirkt. Durch diese Prallkühlung ist eine effektivere Kühlung des Pilotkonus möglich. Dadurch ist eine Kühlung mit einem relativ geringen Kühlluftstrom möglich, wodurch sich Kühlluft einsparen lässt. Die Öffnungen können dabei unterschiedliche Durchmesser aufweisen, je nach Kühlungsbedarf des Pilotkonus. So kann an kritischen Stellen mehr Kühlluft zugeführt werden als an nicht kritischen Stellen. Aus demselben Grund können die Öffnungen auch unterschiedlich verteilt sein.
  • Bevorzugt ist der Pilotkonus mit dem inneren Piloteinsatz verschweißt. Die Verschweißung ist dabei am stromaufwärtigem Ende des Piloteinsatzes vorgesehen. Dabei ist stromabwärts in Strömungsrichtung des Brennstoffes des Brenners zu sehen, stromaufwärts entgegen der Strömungsrichtung des Brenners. In bevorzugter Ausgestaltung ist der innere Piloteinsatz weiter mit dem Trägereinsatz verschraubt. Somit wird der Pilotkonus über den inneren Piloteinsatz mit dem Trägereinsatz befestigt. Durch diese Schraubverbindung ist ein einfaches Lösen des Pilotkonus und des inneren Piloteinsatzes möglich.
  • Bevorzugt ist zwischen Pilotkonus und Trägereinsatz ein definierter Spalt vorgesehen. Der Spalt erlaubt nun ein thermisches Dehnen in radialer und axialer Richtung. Dieser Spalt ist derart berechnet, dass nach Erreichen der Betriebstemperatur der Spalt geschlossen ist. Dadurch dichtet der Konus im Betrieb wie beim fest angeschweißten Konus, das heißt wie bei einem Konus nach dem Stand der Technik (vlg. Fig.2) ab. Hierbei sind jedoch die Spannungen geringer, was zu einer höheren Lebensdauer des Konus als auch des Trägereinsatzes führt.
  • Bevorzugt ist eine Gasturbine mit einem solchen Brenner ausgestaltet.
  • Bezogen auf das Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Angabe eines Betriebsverfahren zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brenners gelöst, welches einen Pilotkonus und einen Trägereinsatz umfasst, wobei der Pilotkonus derart beabstandet angeordnet ist, dass ein definierter Spalt zwischen Pilotkonus und Trägereinsatz vorgesehen ist, welcher im Betrieb durch die thermische Expansion in wesentlichen geschlossen wird. Der Konus liegt im kalten Zustand beispielsweise direkt am inneren Piloteinsatz an. Nach Erreichen der Betriebstemperatur wird durch thermisches Dehnen entweder des Konus alleine oder des Konus und des Trägereinsatzes der Spalt geschlossen. Somit dichtet der Konus im Betrieb fest ab.
  • Bevorzugt ist zwischen Pilotkonus und einen Trägereinsatz ein innerer Piloteinsatz mit Öffnungen vorhanden, mittels welchem der Pilotkonus prallluftgekühlt wird. Die so entstandene Prallluftkühlung kühlt den Konus mit geringem Kühlluftstrom, wodurch sich Kühlluft einsparen lässt.
  • Bezogen auf das Montageverfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Angabe eines Montageverfahren zum Montieren und Demontieren einer Pilot-Konus Baugruppe eines Brenners von einen Trägereinsatz gelöst, wobei die PilotKonus Baugruppe einen Pilotkonus sowie einen inneren Piloteinsatz umfasst, wobei der innere Piloteinsatz zwischen Trägereinsatz und Pilotkonus angeordnet ist, wobei der innere Piloteinsatz mit dem Trägereinsatz beim montieren/demontieren verschraubt wird. Durch diese Verschraubung lässt sich die Pilot-Konus Baugruppe vereinfacht ausbauen. Die getrennten Baugruppen, das heißt die Pilot-Konus Baugruppe und der Trägereinsatz, führen zu verbesserten Montage/Demontagebedingungen. Zudem können die Bauteile vereinfacht einzeln bei einer Beschädigung ausgetauscht werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Darin zeigt in vereinfachter und nicht maßstäblicher Darstellung:
    • FIG 1
    eine schematische Darstellung einer Gasturbine nach dem Stand der Technik,
    FIG 2
    eine Darstellung eines Brenner mit einen Pilotkonus nach dem Stand der Technik,
    FIG 3
    einen erfindungsgemäßen Brenner mit Pilotkonus und Trägereinsatz,
    FIG 4
    den erfindungsgemäßen Brenner mit Pilotkonus und Trä- gereinsatz im kalten Zustand,
    FIG 5
    den erfindungsgemäßen Brenner mit Pilotkonus und Trä- gereinsatz im Betrieb,
    FIG 6
    eine Befestigung des Pilotkonus des erfindungsgemäßen Brenners.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Brenners mit einem Pilotkonus nach dem Stand der Technik. Der Pilotkonus 20 ist dabei an einen Trägereinsatz 110 angeschweißt und dient als Übergang zwischen Pilotbrenner 140 und Trägereinsatz 110, welcher an der Brennkammerinnenwand 120 anliegt. Dieser weist unter anderem Durchgänge auf, welche die Verbrennungsluft zur Brennkammer 130 führen. Der Pilotkonus 20 ist dabei außen am Trägereinsatz 110 angeschweißt mit mindestens einer Anschweißstelle 170. Innen sitzt er mittels eines Schiebesitzes 150 auf dem Pilotbrenner 140. Im Betrieb treten jedoch thermische bedingte Dehnungen unter anderem auch in radialer Richtung auf. Durch die Schweißung und den Schiebesitz 150 ist diese thermisch auftretende Dehnung jedoch stark eingeschränkt. Dadurch treten starke, sehr hohe Spannungen am Konus 20 auf. Diese thermischen Spannungen führen jedoch zu einer Verringerung der zyklischen Lebensdauer.
  • Dieses wird mithilfe der Erfindung nun vermieden. Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Brenner mit erfindungsgemäßen Pilotkonus 100 und Trägereinsatz 110. Dieser weist anstelle der Anschweißstelle 170 zwischen Trägereinsatz 110 und Pilotkonus 200 nun einen definierten Spalt 180 auf. Der Spalt 180 erlaubt ein thermisches Dehnen und zwar in radialer 220 als auch in axialer 230 Richtung. Trägereinsatz 110 und Pilotkonus 200 sind somit entkoppelt und können sich beispielsweise bei Betrieb unterschiedlich stark ausdehnen. Zwischen Pilotkonus 200 und Tragereinsatz 110 ist ein innerer Piloteinsatz 190 vorgesehen. Dieser weist an geeigneten Stellen Öffnungen 160 auf. Dies können beispielsweise kleine Bohrungen sein. Durch diese Öffnungen 160 tritt Kühlluft in Richtung Pilotkonus 200 aus. Dadurch wird der Pilotkonus 200 gekühlt. Die dabei am Pilotkonus 200 vorgenommen Kühlung entspricht einer Prallkühlung. Diese hat den wesentlichen Vorteil, dass zur Kühlung des Pilotkonus 200 ein nur geringer Kühlluftstrom benötigt wird. Die Öffnungen 160 können gleichmäßig über den inneren Piloteinsatz 190 verteilt sein, oder an besonders kritischen Stellen gehäuft auftreten. Somit wird eine effiziente Kühlung des Pilotkonus 200 bewirkt, was sich ebenfalls lebensdauerverlängernd auswirkt. Zudem können durch den geringen Kühlluftverbrauch die NOx Werte bei der Verbrennung gesenkt werden. Der innere Piloteinsatz 190 sowie der Pilotkonus 200 sind miteinander an einer Verschweißstelle 280 miteinander verschweißt. Die Verschweißstelle 280 ist dabei stromaufwärts angebracht, da dort vergleichsweise geringere Temperaturen als in der Brennkammer vorherrschen. Dies fördert die Haltbarkeit der Verschweißstelle 280. So wird über den inneren Piloteinsatz 190 der Pilotkonus 200 am Trägereinsatz 110 befestigt.
  • Fig. 4 zeigt den erfindungsgemäßen Brenner mit Pilotkonus 200 und Trägereinsatz 110 im kalten Zustand; Fig. 5 den erfindungsgemäßen Brenner mit Pilotkonus 200 und Trägereinsatz 110 im Betrieb. So ist im kalten Zustand ein deutlicher Spalt zwischen den Trägereinsatz 110 und den Pilotkonus 200 zu sehen. Im Betrieb dehnt sich der Pilotkonus 200 in axialer Richtung 230 und in radialer Richtung 220 aus. Der Spalt 180 ist dabei so berechnet, dass nach Erreichen der Betriebstemperatur der Pilotkonus 200 am Trägereinsatz 110 nahezu anliegt, dass heißt der Spalt 180 nahezu geschlossen ist. Dadurch dichtet der der Pilotkonus 200 im Betrieb wie ein angeschweißter Konus ab. Durch die erlaubten thermischen Expansionen sind jedoch die Spannungen geringer; wodurch sich die Lebensdauer sowohl des Pilotkonus 200 als auch des Trägereinsatzes 110 erhöht. Auch werden Störungen des Betriebs durch fehlerhafte Bauteilkomponenten (feine Risse etc) vermieden.
  • Fig. 6 zeigt eine Befestigung des Pilotkonus 200 des erfindungsgemäßen Brenners. Der innere Piloteinsatz 190 wird dabei über eine Schraubverbindung 250 am Trägereinsatz 110 befestigt. Die Pilot-Konus Baugruppe, das heißt der Pilotkonus 200 selber als auch der innere Piloteinsatz 190 sowie der Trägereinsatz 110 können somit vereinfacht montiert und demontiert werden. Somit können der Trägereinsatz 110 als auch der Pilotkonus 200 vereinfacht getrennt ausgetauscht werden. Dies spart zum einen Kosten durch Zeitersparnis zum anderen Kosten durch die getrennt austauschbaren Bauteile selber. Der Pilotkonus 200 und der innere Piloteinsatz 190 sind somit "nach vorne" durch die Schraubverbindung 250 eingebaut.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren als auch den erfindungsgemäßen Brenner mit einem thermisch entkoppelten Pilotkonus 200 und dem Trägereinsatz 110 ist es somit möglich, die Spannungen am Pilotkonus 200 wesentlich zu verringern. Der Pilotkonus 200 als auch der Trägereinsatz 110 weisen erfindungsgemäß eine höhere Lebensdauer auf. Durch den erfindungsgemäßen Brenner mit dem inneren Piloteinsatz 190 ist zudem eine Prallkühlung des Pilotkonus 200 möglich. Dies führt zu einer wesentlichen Kühllufteinsparung. Zudem stellt der definierte Einsatz einer Prallkühlung an besonders kritischen Stellen einer weiteren Erhöhung zur Lebensdauer der einzelnen Komponenten dar. Durch das verbesserte Montageverfahren wird die Montage/Demontage der Pilot-Konus Baugruppe erhöht. Auch die eigentliche Entkopplung zwischen Pilotkonus 200 und Trägereinsatz 110 trägt zur verbesserten Montage/Demontage beider Bauteile bei.

Claims (10)

  1. Brenner umfassend einem Pilotkonus (200) sowie einem Trägereinsatz (110),
    dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotkonus (200) und der Trägereinsatz (110) thermisch entkoppelt sind.
  2. Brenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Trägereinsatz (110) und Pilotkonus (200) ein innerer Piloteinsatz (190) vorgesehen ist.
  3. Brenner nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass am inneren Piloteinsatz (190) Öffnungen (160) vorgesehen sind.
  4. Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotkonus (200) mit dem inneren Piloteinsatz (190) verschweißt ist.
  5. Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass der innere Piloteinsatz (190) mit dem Trägereinsatz (110) verschraubt ist.
  6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Pilotkonus (200) und Trägereinsatz (110) ein definierter Spalt (180) vorgesehen ist.
  7. Gasturbine mit einem Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  8. Betriebsverfahren zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brenners, welcher einen Pilotkonus (200) und einen Trägereinsatz (110) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotkonus (200) derart beabstandet angeordnet ist, dass ein definierter Spalt zwischen Pilotkonus (200) und Trägereinsatz (110) vorgesehen ist, welcher im Betrieb durch die thermische Expansion in wesentlichen geschlossen wird.
  9. Betriebsverfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Pilotkonus (200) und einen Trägereinsatz (110) ein innerer Piloteinsatz (190) mit Öffnungen (160) vorhanden ist, mittels welchem der Pilotkonus (200) prallluftgekühlt wird.
  10. Montageverfahren zum Montieren und Demontieren einer Pilot-Konus Baugruppe eines Brenners von einem Trägereinsatz wobei die Pilot-Konus Baugruppe einen Pilotkonus (200) sowie einen inneren Piloteinsatz (190) umfasst, wobei der innere Piloteinsatz (190) zwischen Trägereinsatz (110) und Pilotkonus (200) angeordnet ist, wobei der innere Piloteinsatz (190) mit dem Trägereinsatz (110) beim montieren/demontieren verschraubt wird.
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