EP2261563A1 - Brenner, Betriebsverfahren und Montageverfahren - Google Patents

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Publication number
EP2261563A1
EP2261563A1 EP09161196A EP09161196A EP2261563A1 EP 2261563 A1 EP2261563 A1 EP 2261563A1 EP 09161196 A EP09161196 A EP 09161196A EP 09161196 A EP09161196 A EP 09161196A EP 2261563 A1 EP2261563 A1 EP 2261563A1
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Withdrawn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
EP09161196A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Grieb
Peter Kaufmann
Werner Krebs
Tobias Krieger
Patrick Lapp
Daniel Vogtmann
Ulrich Wörz
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 EP09161196A priority Critical patent/EP2261563A1/de
Publication of EP2261563A1 publication Critical patent/EP2261563A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F23R3/002—Wall structures
    • 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
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03042—Film cooled combustion chamber walls or domes
    • 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
    • F23R2900/03044—Impingement cooled combustion chamber walls or subassemblies

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, 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 is arranged.
  • 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 outside of the combustion chamber, preferably in the vicinity of the pilot burner (upstream). It can be seen downstream in the direction of flow of the fuel of the burner, upstream against the flow direction of the burner material.
  • the inner pilot insert is further welded to the carrier insert. Since the inner pilot insert is not in the combustion zone and is permanently cooled, it does not stretch much and the stresses at the weld are low. Thus, 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 a thermal Stretching in radial and axial direction. This gap can be calculated so that after reaching the operating temperature of the gap is closed.
  • the pilot cone preferably has passages. Through these passages, after the impingement cooling, the air can be introduced into the combustion chamber at a smaller radius and cool the region of the pilot cone that is particularly stressed by film cooling.
  • pilot cone on the combustion chamber side facing away discloses in particular pins or ribs.
  • a defined gap between pilot and pilot cone can be achieved. Also can be achieved by this devisverierernde measure better cooling of the pilot cone.
  • 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, whereby a disputed arrangement of the pilot cone is made possible by an inner pilot insert from the carrier insert, so that a free stretching of the Pilot cone is allowed.
  • the inner pilot insert is thus not in the combustion zone and thus has low elongation.
  • the inner pilot insert openings for cooling air by means of which the pilot cone is impingement air cooled.
  • the openings can be realized for example by small holes.
  • the impingement air cooling is then carried out via these small holes, which dictate the main pressure loss of the cooling. Since no cross-section of the cooling air path is due to thermal expansion changes significantly, the cooling air requirement is well defined and can be adjusted by the number and size of the impingement cooling holes (or impingement cooling holes). Due to the permanent impingement cooling, the inner pilot insert as well as the pilot cone has an even lower elongation.
  • the pilot cone on passages for the passage of the cooling air, whereby a film cooling of the pilot cone is made.
  • a part of the cooling air can be delivered even at a smaller radius in the combustion chamber.
  • the pilot cone is thus additionally cooled by film cooling in particularly stressed areas.
  • a defined gap between the pilot insert and the carrier insert is set during operation on the side of the pilot cone remote from the combustion chamber.
  • an improved cooling of the pilot cone can also be achieved.
  • 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 is arranged, and wherein the inner pilot insert is welded to the carrier insert within the combustion chamber and the inner pilot insert is welded to the pilot cone outside the combustion chamber.
  • 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 the pilot burner 140 and the carrier insert 110, which rests 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. These thermal stresses lead to a reduction of the cyclic life.
  • Fig. 3 shows a free-standing pilot cone 300 according to an embodiment of the invention.
  • This now has a free-standing pilot cone 300 instead of the weld 170 between carrier insert 110 and pilot cone.
  • the inner pilot 310 is welded in this embodiment with the carrier insert 110 downstream within the combustion chamber 130. In this case, downstream in the direction of the fuel / air flow is to be understood upstream against the direction of the fuel / air flow. This can be done on different welding areas 400.
  • the pilot cone 300 allows free stretching in both the radial and axial directions.
  • the carrier insert 110 and the pilot cone 300 are thus thermally decoupled. Also, the freestanding cone 300 is protected from excessive temperatures by being cooled by impingement cooling.
  • the impingement cooling is accomplished via openings 320 in the inner pilot insert 310. This is also realized here for example by means of smaller holes on the inner pilot insert 310, which dictate the main pressure loss of the cooling. Since no cross section of the cooling air path changes significantly due to thermal expansion, the cooling air requirement is well defined. It can thus be adjusted by the number and size of the impingement cooling holes.
  • additional passages 420 eg in the form of slots or bores
  • pilot cone 300 can be cooled significantly improved by film cooling; once by impingement cooling and then subsequently by the film cooling, which occurs when the air impinging on the cone 300 is led to the passages 420.
  • the inner pilot insert 310 may also be welded to the pilot cone 300. This weld 430 is advantageously arranged outside the combustion chamber. It is also possible, for example, to set a defined gap between pilot insert 310 and pilot cone 300 by means of suitable design measures on the side of the pilot cone remote from the combustion chamber. Suitable design measures may be pins or ribs, for example. These also have a surface-enlarging effect, This also results in improved cooling of the pilot cone 300.
  • the inventive method and the burner according to the invention with a thermally decoupled pilot cone 300 and the carrier insert 110 it is thus possible to substantially reduce the stresses on the pilot cone 300.
  • the pilot cone 300 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 310 also an impingement cooling of the pilot cone 300 is possible. This leads to a significant cooling air savings.
  • the defined use of an impingement cooling at particularly critical points represents a further increase in the service life of the individual components.
  • a combination of film cooling and impingement cooling achieves a significant improvement in the cooling of these areas.
  • the improved assembly process increases the assembly / disassembly of the pilot cone assembly.
  • the actual decoupling between pilot cone 300 and carrier insert 110 contributes to the improved assembly / disassembly of both components.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner umfassend einen Pilotkonus (300) sowie einen Trägereinsatz (110), wobei der Pilotkonus (300) und der Trägereinsatz (110) thermisch entkoppelt sind. weiterhin umfasst die Erfindung ein Betriebsverfahren zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brenners, welcher einen Pilotkonus (300) und einen Trägereinsatz (110) umfasst, wobei eine beabstandete Anordnung des Pilotkonus (300) durch einen inneren Piloteinsatz (310) vom Trägereinsatz (110) ermöglicht wird, so dass ein freies Dehnen des Pilotkonus (300) erlaubt wird. Zusätzlich umfasst die Erfindung ein Montageverfahren zum Montieren und Demontieren einer Pilot-Konus Baugruppe eines Brenners von einem Trägereinsatz (110), wobei die Pilot-Konus Baugruppe einen Pilotkonus (300) sowie einen inneren Piloteinsatz (310) umfasst, wobei der innere Piloteinsatz (310) zwischen Trägereinsatz (110) und Pilotkonus (300) angeordnet ist.

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 Pilot-Konus 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 Pilot-konus 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 einem 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 einem 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 außerhalb der Brennkammer vorzugsweise in Nähe des Pilotbrenners vorgesehen (stromaufwärts). Dabei ist stromabwärts in Strömungsrichtung des Brennstoffes des Brenners zu sehen, stromaufwärts entgegen der Strömungsrichtung des Brennerstoffs. In bevorzugter Ausgestaltung ist der innere Piloteinsatz weiter mit dem Trägereinsatz verschweißt. Da der innere Piloteinsatz nicht in der Verbrennungszone liegt und permanent gekühlt wird, dehnt er sich wenig und die Spannungen an der Schweißnaht sind gering. Somit wird der Pilotkonus über den inneren Piloteinsatz mit dem Trägereinsatz befestigt.
  • Bevorzugt ist zwischen Pilotkonus und Trägereinsatz ein definierter Spalt vorgesehen. Der Spalt erlaubt nun ein thermisches Dehnen in radialer und axialer Richtung. Dieser Spalt kann derart berechnet sein, 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 ab. Hierbei sind jedoch die Spannungen geringer, was zu einer höheren Lebensdauer des Konus als auch des Trägereinsatzes führt.
  • Bevorzugt weist der Pilotkonus Durchlässe auf. Durch diese Durchlässe kann nach der Prallkühlung die Luft auf kleinerem Radius in die Brennkammer eingebracht werden und durch Filmkühlung besonders belastete Bereich des Pilotkonus kühlen.
  • In bevorzugter Ausgestaltung weist der Pilotkonus an der brennkammerabgewandten Seite oberflächenvergrößernde Aufsätze, insbesondere Pins oder Rippen auf. Somit kann ein definierter Spalt zwischen Piloteinsatz und Pilotkonus erzielt werden. Auch kann durch diese oberflächenvergrößernde Maßnahme eine bessere Kühlung des Pilotkonus erzielt werden.
  • Bezogen auf das Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Angabe eines Betriebsverfahren zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brenners gelöst, welcher einen Pilotkonus und einen Trägereinsatz umfasst, wobei eine beanstandete Anordnung des Pilotkonus durch einen inneren Piloteinsatz vom Trägereinsatz ermöglicht wird, so dass ein freies Dehnen des Pilotkonus erlaubt wird. Der innere Piloteinsatz liegt somit nicht in der Verbrennungszone und weist somit geringe Dehnung auf.
  • Bevorzugt weist der innere Piloteinsatz Öffnungen für Kühlluft auf, mittels welchem der Pilotkonus prallluftgekühlt wird. Somit wird der freistehende Pilotkonus vor zu hohen Temperaturen geschützt. Die Öffnungen können beispielsweise durch kleine Bohrungen realisiert werden. Die Prallluftkühlung wird dann über diese kleinen Bohrungen ausgeführt, die den Hauptdruckverlust der Kühlung vorgeben. Da kein Querschnitt der Kühlluftstrecke sich durch thermisches Dehnen signifikant ändert, ist der Kühlluftbedarf wohl definiert und kann durch Anzahl und Größe der Prallkühlbohrungen (bzw. Prallkühlöffnungen) eingestellt werden. Durch die permanente Prallkühlung weist der innere Piloteinsatz als auch der Pilotkonus eine noch geringere Dehnung auf.
  • Bevorzugt weist der Pilotkonus Durchlässe für das Durchführen der Kühlluft auf, wodurch eine Filmkühlung des Pilotkonus vorgenommen wird. Somit kann ein Teil der Kühlluft bereits auf kleinerem Radius in die Brennkammer abgegeben werden. Der Pilotkonus wird somit durch Filmkühlung in besonders belasteten Bereichen zusätzlich gekühlt.
  • Bevorzugt wird durch das Anbringen von oberflächenvergrößernden Aufsätzen, insbesondere Pins und Rippen, an der brennkammerabgewandten Seite des Pilotkonus während des Betriebs ein definierter Spalt zwischen Piloteinsatz und Trägereinsatz eingestellt. Somit lässt sich auch zudem eine verbesserte Kühlung des Pilotkonus erzielen.
  • Bezogen auf das Montageverfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Angabe eines Montageverfahren zum Montieren und Demontieren einer Pilot-Konus Baugruppe eines Brenners von einem Trägereinsatz gelöst, wobei die Pilot-Konus Baugruppe einen Pilotkonus sowie einen inneren Piloteinsatz umfasst, wobei der innere Piloteinsatz zwischen Trägereinsatz und Pilotkonus angeordnet ist, und wobei der innere Piloteinsatz mit dem Trägereinsatz innerhalb der Brennkammer verschweißt und der innere Piloteinsatz außerhalb der Brennkammer mit dem Pilotkonus verschweißt wird. Somit muss beispielsweise lediglich eine Schweißnaht in der Nähe des Pilotbrenners außerhalb der Brennkammer gelöst werden um z.B. den kompletten freistehenden Pilotkonus auszutauschen.
  • 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 einem Pilotkonus nach dem Stand der Technik,
    FIG 3
    einen erfindungsgemäßen Brenner mit Pilotkonus, in- nerem Piloteinsatz und Trägereinsatz.
  • 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 einem 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 dabei zu einer Verringerung der zyklischen Lebensdauer.
  • Dieses wird mithilfe der Erfindung nun vermieden. Fig. 3 zeigt einen frei stehenden Pilotkonus 300 gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dieser weist anstelle der Anschweißstelle 170 zwischen Trägereinsatz 110 und Pilotkonus nun einen frei stehenden Pilotkonus 300 auf. Der innere Piloteinsatz 310 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Trägereinsatz 110 stromabwärts innerhalb der Brennkammer 130 verschweißt. Dabei ist unter stromabwärts in Richtung des Brennstoff/Luftstroms, stromaufwärts entgegen der Richtung des Brennstoff/Luftstroms zu verstehen. Dies kann an verschieden Anschweißbereichen 400 vorgenommen werden. Dies ist möglich, da der innere Piloteinsatz 310 nicht in der Verbrennungszone liegt und permanent gekühlt wird, wodurch er sich wenig dehnt und wodurch somit die Spannungen in der oder den Schweißnähten gering sind. Der Pilotkonus 300 erlaubt ein freies dehnen, sowohl in radialer als auch in axialer Richtung. Der Trägereinsatz 110 und der Pilotkonus 300 sind somit thermisch entkoppelt. Auch wird der freistehende Kegel 300 vor zu hohen Temperaturen geschützt, indem er durch eine Prallkühlung gekühlt wird. Die Prallkühlung wird über Öffnungen 320 im inneren Piloteinsatz 310 bewerkstelligt. Dies wird auch hier beispielsweise mittels kleinerer Bohrungen am inneren Piloteinsatz 310 realisiert, die den Hauptdruckverlust der Kühlung vorgeben. Da sich kein Querschnitt der Kühlluftstrecke durch thermisches Dehnen signifikant ändert, ist der Kühlluftbedarf wohl definiert. Er kann somit durch Anzahl und Größe der Prallkühlbohrungen eingestellt werden. Durch zusätzliche Durchlässe 420 (z.B. in Form von Schlitzen oder Bohrungen) im Pilotkonus 300 selber kann ein Teil der Kühlluft bereits auf kleinerem Radius in die Brennkammer abgegeben werden. Somit können besonders belastete Bereiche des Pilotkonus 300 durch Filmkühlung signifikant verbessert gekühlt werden; einmal durch Prallkühlung und dann anschließend durch die Filmkühlung, welche auftritt, wenn die am Konus 300 aufprallende Luft zu den Durchlässen 420 geführt wird. Der innere Piloteinsatz 310 kann auch mit dem Pilotkonus 300 verschweißt sein. Diese Schweißstelle 430 ist vorteilhafterweise außerhalb der Brennkammer angeordnet. Auch kann z.B. mittels geeigneter konstruktiver Maßnahmen an der brennkammerabgewandten Seite des Pilotkonus ein definierter Spalt zwischen Piloteinsatz 310 und Pilotkegel 300 eingestellt werden. Geeignete konstruktive Maßnahmen können beispielsweise Pins oder Rippen sein. Diese wirken sich zudem Oberflächenvergrößernd, wodurch sich ebenfalls eine verbesserte Kühlung des Pilotkonus 300 ergibt.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren als auch den erfindungsgemäßen Brenner mit einem thermisch entkoppelten Pilotkonus 300 und dem Trägereinsatz 110 ist es somit möglich, die Spannungen am Pilotkonus 300 wesentlich zu verringern. Der Pilot-konus 300 als auch der Trägereinsatz 110 weisen erfindungsgemäß eine höhere Lebensdauer auf. Durch den erfindungsgemäßen Brenner mit dem inneren Piloteinsatz 310 ist zudem eine Prallkühlung des Pilotkonus 300 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. Bei besonders belasteten Bereichen den Pilotkonus wird durch eine Verbindung der Filmkühlung mit der Prallkühlung eine signifikante Verbesserung bei der Kühlung dieser Bereiche erzielt. Durch das verbesserte Montageverfahren wird die Montage/Demontage der Pilot-Konus Baugruppe erhöht. Auch die eigentliche Entkopplung zwischen Pilotkonus 300 und Trägereinsatz 110 trägt zur verbesserten Montage/Demontage beider Bauteile bei.

Claims (13)

  1. Brenner umfassend einem Pilotkonus (300) sowie einem Trägereinsatz (110), dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotkonus (300) und der Trägereinsatz (110) thermisch entkoppelt sind.
  2. Brenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Trägereinsatz (110) und Pilotkonus (300) ein innerer Piloteinsatz (310) vorgesehen ist.
  3. Brenner nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass am inneren Piloteinsatz (310) Öffnungen (320) vorgesehen sind.
  4. Brenner nach einem der Ansprüche 2-3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotkonus (300) mit dem inneren Piloteinsatz (310) außerhalb der Brennkammer (130) verschweißt ist.
  5. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Pilotkonus (300) und innere Piloteinsatz (310) ein definierter Spalt vorgesehen ist.
  6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotkonus (300) Durchlässe (420) aufweist.
  7. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotkonus (300) an der brennkammerabgewandten Seite oberflächenvergrößernde Aufsätze, insbesondere Pins oder Rippen aufweist.
  8. Gasturbine mit einem Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  9. Betriebsverfahren zur Erhöhung der Lebensdauer eines Brenners, welcher einen Pilotkonus (300) und einen Trägereinsatz (110) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine beanstandete Anordnung des Pilotkonus (300) durch einen inneren Piloteinsatz (310) vom Trägereinsatz (110) ermöglicht wird, so dass ein freies Dehnen des Pilotkonus (300) erlaubt wird.
  10. Betriebsverfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der innerer Piloteinsatz (310) Öffnungen (320) für Kühlluft aufweist, mittels welchem der Pilotkonus (300) prallluftgekühlt wird.
  11. Betriebsverfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotkonus (300) Durchlässe (420) für das Durchführen der Kühlluft aufweist, wodurch eine Filmkühlung des Pilotkonus (300) vorgenommen wird.
  12. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass durch das Anbringen von oberflächenvergrößernde Aufsatze, insbesondere Pins und Rippen, an der brennkammerabgewandten Seite des Pilotkonus (300) während des Betriebs ein definierter Spalt zwischen Piloteinsatz (310) und Trägereinsatz (110) eingestellt wird.
  13. Montageverfahren zum Montieren und Demontieren einer Pilot-Konus Baugruppe eines Brenners von einem Trägereinsatz, wobei die Pilot-Konus Baugruppe einen Pilotkonus (300) sowie einen inneren Piloteinsatz (310) umfasst, wobei der innere Piloteinsatz (310) zwischen Trägereinsatz (110) und Pilotkonus (300) angeordnet ist, wobei der innere Piloteinsatz (310) mit dem Trägereinsatz (110) innerhalb der Brennkammer (130) verschweißt und der innere Piloteinsatz (310) außerhalb der Brennkammer (130) mit dem Pilotkonus (300) verschweißt wird.
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