EP2317227B1 - Brenner für eine Turbine und damit ausgerüstete Gasturbine - Google Patents

Brenner für eine Turbine und damit ausgerüstete Gasturbine Download PDF

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EP2317227B1
EP2317227B1 EP10171616.5A EP10171616A EP2317227B1 EP 2317227 B1 EP2317227 B1 EP 2317227B1 EP 10171616 A EP10171616 A EP 10171616A EP 2317227 B1 EP2317227 B1 EP 2317227B1
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EP
European Patent Office
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burner
air
gap
chamber
head plate
Prior art date
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Active
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EP10171616.5A
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French (fr)
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EP2317227A2 (de
EP2317227A3 (de
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Frank Reiss
Jaman El Masalme
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MAN Energy Solutions SE
Original Assignee
MAN Energy Solutions SE
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2317227A3 publication Critical patent/EP2317227A3/de
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    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers

Definitions

  • the invention relates to a burner for a turbine and a gas turbine equipped with such a burner.
  • burners of gas turbines are in DE 10 2006 048 842 A1 .
  • WO 96/04510 and in the magazine " ABBtechnik "from 4/1998 on pages 4 to 16 described.
  • a major objective with such burners is to make combustion in a large operating range stable, controlled, low in emissions and as complete as possible.
  • special components are used as "flame holders" to stabilize the combustion zone (zone of heat release).
  • Other burners are designed to provide stabilization near the wall - e.g. in the center of the burner - takes place. These components are thermally highly loaded, have a short life and must therefore be replaced often.
  • the invention has for its object to provide a burner for a turbine, in particular for a gas turbine, in which the central component or the flame holder can be effectively cooled without disturbing the / / combustion process in the burner.
  • the invention is further based on the object to provide a equipped with such a burner gas turbine.
  • a burner for a turbine in particular a gas turbine
  • the burner comprises: a housing in which an air collecting space, a combustion antechamber and a combustion chamber are formed, a burner top plate, which is arranged in the housing, so that the Burner head plate separates the combustion antechamber from the combustion chamber, a baffle plate which is arranged in the combustion antechamber so that the baffle plate divides the combustion pre-vent into a first subspace adjacent to an air feed fluidly connected to the air collection space and a second subspace adjacent to the burner head plate, wherein the baffle plate has a plurality of passage passages, which fluidly connect the first subspace with the second subspace, so that via the air supply from the air collecting space in the first subspace inflowing air flow through the passage passages in the second subspace and zugewan zu zu the second subspace
  • the back surface of the burner top plate can flow.
  • the burner top plate since cooling air is applied to the rear surface of the burner top plate so that efficient impingement cooling for the burner top plate is achieved, the burner top plate can be effectively achieved cooled and thus their thermal wear can be reduced.
  • the inventively proposed cooling thus significantly increases the life of the burner top plate. Since only the back of the burner top plate is charged with the cooling air, wherein the air is preferably supplied to an outer edge of the burner top plate to the combustion chamber, the air or cooling exerts no disturbing effect on the combustion process in the burner.
  • the baffle plate extends parallel to the burner top plate, so that air which has flowed into the second partial space impinges perpendicularly on the rear surface of the burner top plate.
  • a gap is provided on the outer circumference of the burner head plate, via which the second subspace is fluidly connected to the combustion chamber, so that air rebounding from the rear face of the burner head plate can flow out into the combustion chamber via the gap.
  • the cooling air can therefore not be introduced into the combustion chamber outside the edge of the burner top plate and thus the combustion process by the gap, as a result of which the air is retained in the overall process (burner, turbine).
  • the injection of the cooling air should be as far as possible "outside”, far away a mean recirculation flow of the burner, which ensures that a core zone of the recirculation flow is not disturbed.
  • the second subspace is bounded on the outside by an insertion part, wherein in a wall of the insert part is provided which extends perpendicular to the passages opening which fluidly connects the second subspace with the gap, so that bouncing from the rear surface of the burner head plate rebounding air can flow through the opening into the gap.
  • the cooling air can be routed across this opening, as required, transversely to the outer edge of the burner top plate or the combustion chamber, so that its influence on the combustion is minimized, and on the other hand, the air flow can be specifically influenced by its diameter.
  • the gap is formed as an annular gap, wherein in the wall of the insert part a plurality of perpendicular to the passages extending along a circumference of the gap distributed openings are provided, which fluidly connect the second subspace with the gap, so that rebounding air from the rear surface of the burner head can flow out into the gap via the openings.
  • the gap By forming the gap as an annular gap and by providing the circumferentially distributed plurality of openings, the air after cooling the burner top plate can be extremely evenly distributed in the combustion chamber, so that their influence on the combustion is further minimized.
  • the gap extends parallel to the passage passages, so that a flow direction of the air through the gap is parallel to a flow direction of the air through the passage passages.
  • a width of the gap is dimensioned such that a flow velocity of the Air at the exit from the gap is less than a flow velocity of the air entering the gap.
  • the width of the gap should be as large as possible to minimize the flow velocity of the air and thus its penetration into a main flow of combustion, which in turn ensures that the main flow is influenced as little as possible.
  • a plurality of passage openings are provided in the burner head plate, which fluidly connect the second subspace to the combustion chamber.
  • the through-openings each have a diameter in a range from 0.3 mm to 1.5 mm, so that the through-holes an effusion of the air flowed through the passage passages in the second sub-chamber through the burner head plate into the combustion chamber.
  • This embodiment of the invention advantageously supports both the cooling efficiency and the freedom from influencing the cooling air flow.
  • the burner top plate is formed by a porous material, so that in the second Subspace inflowed air can flow through pores of the burner head plate into the combustion chamber.
  • This embodiment of the invention is an advantageous way to dissipate the cooling air flow as possible without affecting the combustion and continued use of the air flow for Gesarntske after cooling.
  • an air discharge passage is provided in the second subspace, via which air rebounding from the rear face of the burner head plate can be fed into the combustion chamber downstream of the burner head plate with respect to a combustion process in the combustion chamber.
  • the advantage of these solutions is that an influence of the main flow and thus the combustion is excluded by the cooling air flow.
  • the usable pressure gradient of the cooling increases and thus a greater temperature reduction can be achieved.
  • the disadvantage of the solution is that the air can only partially or not at all be used for the gas turbine process.
  • a gas turbine with a burner according to one, several or all of the previously described embodiments of the invention is provided in any conceivable combination.
  • a burner 1 of a gas turbine (not completely shown) according to an embodiment of the invention comprises a housing 10, which in turn comprises a flame tube 11, in which the combustion V of an air-fuel gas mixture takes place, and a jacket 12, which Flame tube 11 surrounds. Between the flame tube 11 and the shell 12, an air collecting space 13 is formed, which is also called plenum and which is frontally bounded by a burner cap 70. In the flame tube, a combustion chamber 14 is formed, which is provided for the combustion V of the air-fuel gas mixture.
  • the housing 10 further has a mixing part 15, via which the air-fuel gas mixture for combustion V in the combustion chamber 14 is provided.
  • a combustion apron 16 is formed in the mixing part 15, a combustion apron 16 is formed.
  • the burner 1 further comprises a plate-shaped central cover 20, a baffle plate 30 and a burner top plate 40 which in the mixing part 15 of the housing 10th are arranged. More specifically, the central cover 20 forms for cooling air provided for cooling the burner top plate 40 No input. Arranged laterally or externally in the combustion chamber 14, the burner 1 also has a swirl body or mixing body 80, via which the air-fuel gas mixture for the combustion V is generated.
  • the air plenum 13 (plenum) is fluidly connected to air inlet openings 22 in the central cover 20 via supply elements 21 (such as pipes, for example), wherein control means 21a are provided in the supply line elements, e.g. are provided in the form of air valves, so that the from the air collection chamber 13 through the supply elements 21 flowing through partial air mass flow is controllable.
  • supply elements 21 such as pipes, for example
  • the baffle 30 is arranged parallel to this in the combustion chamber 16 between the central cover 20 and the baffle plate 30 in the form of a septplenums a first compartment 16a of the combustion antechamber 16 is formed.
  • the burner top plate 40 is arranged in the combustion passage 16 parallel to this. Between the baffle plate 30 and the burner top plate 40, a second subspace 16b of the combustion antechamber 16 is formed.
  • the baffle plate 30 is disposed in the combustion vestibule 16 so as to divide the combustion vestibule 16 into the first partial space 16a adjoining the supply elements 21 fluidly connected to the air collecting space 13 and the second partial space 16b adjoining the burner top plate 40.
  • the burner top plate 20 is arranged in the combustion chamber 16 of the housing 10 so as to separate the combustion vestibule 16 from the combustion chamber 14, and forms a central component of the burner 1.
  • the first subspace 16a (Zwischenplenum) is designed so that the cooling air K evenly distributed and the baffle plate (such as a baffle plate) 30 is supplied evenly with cooling air K.
  • the baffle plate 30 has a plurality of passage passages 31, which fluidly connect the first subspace 16a with the second subspace 16b, so that via the feed elements (air supply) 21 from the air collecting space 13 in the first subspace 16a flowing cooling air K via the passage passages 31 in the flow in second subspace 16b and on a second subspace 16b facing the rear surface 40a of the burner top plate 40 can flow.
  • the baffle plate 30 extends parallel to the burner top plate 40, so that the cooling air K, which has flowed into the second subspace 16b, impinges substantially perpendicularly on the rear surface 40a of the burner top plate 40.
  • the second subspace 16b is bounded on the outside by an insertion part 50, wherein a plurality of openings 51 extending perpendicularly to the passage passages 31 are provided in a wall of the insertion part 50.
  • a jacket part 60 is provided on the outside of the insertion part which delimits the mixing part 15 on the outside. The jacket part 60 is in turn inserted into the burner chamber 70 which closes or delimits the air collecting space 13 and is held by the latter.
  • a gap S is provided in the form of an annular gap, via which the second compartment 16b is fluidly connected to the combustion chamber 14, so that rebounding from the rear surface 40a of the burner top plate 40 Cooling air K can flow through the gap in the combustion chamber 14.
  • the second subspace 16b is fluidly connected to the gap S via the openings 51 distributed along a circumference of the gap S, so that cooling air K bouncing off the rear surface 40a of the burner top plate 40 can flow into the gap S via the openings 51.
  • the gap S extends parallel to the through passages 31 and opens into the combustion chamber 14, so that a flow direction of the cooling air K through the gap S is parallel to a flow direction of the cooling air K through the passage passages 31 therethrough.
  • the cooling air K is discharged via the lateral openings 51, which are preferably designed as bores, into the gap S and from there into the combustion chamber 14.
  • the efficiency of the impingement cooling can be varied by the choice of the perforation in the baffle plate 30 and the pressure loss (individual pressure losses of the cooling air path).
  • the driving pressure gradient is essentially predetermined by the pressure loss of a main air mass flow (for the combustion process) through the swirler 80
  • the heat load in the center of the burner top plate or burner plate 40 is highest, wherein in accordance with the invention realized cooling the center of the burner top plate 40 is cooled most efficiently.
  • the proposed cooling fits the impressed hot gas side or combustion chamber side thermal load of the burner top plate 40.
  • the injection of the cooling air K should be as "outside” as possible, away from a mean recirculation flow RS of the burner 1, thus ensuring that a core zone of the recirculation flow RS is not disturbed. Furthermore, it has been recognized according to the invention that it is also important to keep the momentum of the cooling air K as low as possible when entering the combustion chamber 14, thus preventing too great a penetration depth of the cooling air flow into the main flow related to the combustion V and thus the main flow so little is influenced as possible.
  • a diameter D (see Fig.2 ) are chosen as large as possible for the introduction of the cooling air K into the combustion chamber 14 and can preferably result according to the specification D (> 1 / 2d), where d is a diameter of the burner top plate 40.
  • a width of the gap S should be as large as possible and the gap S should be arranged as far as possible radially outward with respect to the burner top plate 40.
  • the width of the gap S defined by the jacket part 60 and the insert part 50 is preferably dimensioned such that a flow velocity of the cooling air K at the exit from the gap S into the combustion chamber 14 is less than a flow velocity of the cooling air when entering the gap S.
  • the inventively realized cooling of the burner top plate 40 is based on an impingement cooling, which cools the burner top plate 40 as a central component of the burner 1 very efficiently.
  • the cooling air K remain the overall process (as a variant also described below external removal of the cooling air K is possible).
  • the design criterion for cooling is the pressure loss via the burner (s) 1 of the gas turbine.
  • valves can be easily implemented to optimize cooling or the amount of cooling air, e.g. the control means 21a.
  • FIGS. 1 and 2 may alternatively or in addition to the gap S and the openings 51 in the burner top plate 40 itself a plurality of through holes may be provided, which fluidly connect the second subspace 16b respectively with the combustion chamber 14.
  • cooling air K which has flowed into the second subspace 16b via the through passages 31 can then be removed from the second subspace 16b into the combustion chamber 14 directly via the burner head plate 40.
  • these passage openings may each have a diameter in a range from 0.3 mm to 1.5 mm, so that the passage openings cause an effusion of the cooling air K, which has flowed into the second subspace 16b via the passage passages 31, through the burner head plate 40 through into the combustion chamber 14 into effect.
  • the burner top plate 40 may be formed by a porous material, so that cooling air K which has flowed into the second subspace 16b can flow out into the combustion chamber 14 via pores of the burner top plate 40.
  • an air discharge passage may be provided in the second subspace 16b via which cooling air K rebounding from the rear surface 40a of the burner top plate 40 is fed away from the burner head plate 40 remote from the combustion process in the combustion chamber 14.
  • an external cooling wherein the removal of the cooling air K as described above in connection with the other embodiments of the invention or at another location between e.g. a compressor outlet and the air collection chamber 13 takes place.
  • the cooling air K is not injected directly into the combustion chamber 14, but derived.
  • the cooling air K is thus not immediately after the swirl body 80, but at a following position -stromab in the flow direction of the hot gas combustion V considered- initiated. Possible positions for the introduction of the cooling air K are in the range of a secondary zone of the combustion chamber 14 up to an exhaust stack of the gas turbine.
  • the advantage of these solutions is that an influence of the main flow and thus the combustion V is excluded by the cooling air flow.
  • the usable pressure gradient of the cooling increases and thus a greater temperature reduction can be achieved.
  • the disadvantage of the solution is that the cooling air K can only partially or not at all be used for the gas turbine process.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brenner für eine Turbine und eine mit einem solchen Brenner ausgerüstete Gasturbine.
  • Es sind verschiedene Brenner zur atmosphärischen Verbrennung und zur Verbrennung unter Druck bekannt. Auch auf dem Gebiet der Gasturbinen werden verschiedene solche Brenner eingesetzt.
  • Beispiele für Brenner von Gasturbinen sind in DE 10 2006 048 842 A1 , DE 195 42 521 A1 , DE 43 28 294 A1 , DE 195 49 143 A1 , WO 96/04510 und in der Zeitschrift "ABB Technik" aus 4/1998 auf den Seiten 4 bis 16 beschrieben.
  • Dokument EP 1 434 007 A2 offenbart einen Brenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein Hauptziel besteht bei solchen Brennern darin, die Verbrennung in einem großen Betriebsbereich stabil, kontrolliert, schadstoffarm und möglichst vollständig ablaufen zu lassen. Bei bestimmten Brennern werden zur Stabilisierung der Verbrennungszone (Zone der Wärmefreisetzung) spezielle Bauteile als "Flammenhalter" eingesetzt. Andere Brenner sind so ausgelegt, dass die Stabilisierung im wandnahen Bereich - z.B. im Zentrum des Brenners - erfolgt. Diese Bauteile sind thermisch hoch belastet, besitzen eine geringe Lebensdauer und müssen deshalb oft ausgetauscht werden.
  • Um die Stabilität der Verbrennung nicht zu beeinträchtigen bzw. dem Prozess keine Kühlluft zu entziehen, werden diese Bauteile gemäß dem Stand der Technik nicht gekühlt. Damit sind die Inspektions- und Wartungsintervalle für diese Bauteile entsprechend kurz, was zusammen mit den Stillstandszeiten der jeweiligen Anlage zu zusätzlichen, hohen Kosten führt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner für eine Turbine, insbesondere für eine Gasturbine, bereitzustellen, bei dem das zentrale Bauteil bzw. der Flammenhalter effektiv gekühlt werden kann ohne den \/erbrennungsprozess im Brenner zu stören. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine mit einem solchen Brenner ausgerüstete Gasturbine bereitzustellen.
  • Die o.g. Aufgaben werden mit einem Brenner gemäß Anspruch 1 bzw. einer Gasturbine gemäß Anspruch 11 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Erfindungsgemäß wird ein Brenner für eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine, bereitgestellt, wobei der Brenner aufweist: ein Gehäuse, in dem ein Luftsammelraum, ein Verbrennungsvorraum und ein Brennraum ausgebildet sind, eine Brenner-Kopfplatte, die in dem Gehäuse angeordnet ist, so dass die Brenner-Kopfplatte den Verbrennungsvorraum von dem Brennraum trennt, eine Prallplatte, die in dem Verbrennungsvorraum angeordnet ist, so dass die Prallplatte den Verbrennungsvorraum in einen an eine mit dem Luftsammelraum fluidverbundene Luftzuführung angrenzenden ersten Teilraum und einen an die Brenner-Kopfplatte angrenzenden zweiten Teilraum unterteilt, wobei die Prallplatte eine Mehrzahl von Durchgangspassagen aufweist, die den ersten Teilraum mit dem zweiten Teilraum fluidverbinden, so dass über die Luftzuführung aus dem Luftsammelraum in den ersten Teilraum eingeströmte Luft über die Durchgangspassagen in den zweiten Teilraum einströmen und auf eine dem zweiten Teilraum zugewandte Rückfläche der Brenner-Kopfplatte strömen kann.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann, da die Rückfläche der Brenner-Kopfplatte mit kühlender Luft beaufschlagt wird, so dass eine für die Brenner-Kopfplatte effiziente Prallkühlung erreicht wird, die Brenner-Kopfplatte effektiv gekühlt und damit deren thermischer Verschleiß reduziert werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kühlung erhöht somit die Lebensdauer der Brenner-Kopfplatte deutlich. Da lediglich die Rückseite der Brenner-Kopfplatte mit der kühlenden Luft beaufschlagt wird, wobei die Luft bevorzugt an einem äußeren Rand der Brenner-Kopfplatte dem Verbrennungsraum zugeführt wird, übt die Luft bzw. Kühlung keinen störenden Einfluss auf den Verbrennungsprozess im Brenner aus.
  • Erfindungsgemäß erstreckt sich die Prallplatte parallel zu der Brenner-Kopfplatte, so dass in den zweiten Teilraum eingeströmte Luft senkrecht auf die Rückfläche der Brenner-Kopfplatte auftrifft.
  • Erfindungsgemäß ist außenumfänglich der Brenner-Kopfplatte ein Spalt vorgesehen, über den der zweite Teilraum mit dem Brennraum fluidverbunden ist, so dass von der Rückfläche der Brenner-Kopfplatte abprallende Luft über den Spalt in den Brennraum abströmen kann.
  • Durch den Spalt kann somit die kühlende Luft außen am Rand der Brenner-Kopfplatte und demnach den Verbrennungsprozess nicht störend in den Brennraum eingeleitet werden, wodurch die Luft dem Gesamtprozess (Brenner, Turbine) erhalten bleibt.
  • Gemäß der Erfindung sollte die Eindüsung der kühlenden Luft möglichst "außen", fern einer mittleren Rezirkulationsströmung des Brenners erfolgen, womit sichergestellt wird, dass eine Kernzone der Rezirkulationsströmung nicht gestört wird.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners ist der zweite Teilraum außenumfänglich von einem Einsetzteil begrenzt, wobei in einer Wandung des Einsetzteils eine sich senkrecht zu den Durchgangspassagen erstreckende Öffnung vorgesehen ist, die den zweiten Teilraum mit dem Spalt fluidverbindet, so dass von der Rückfläche der Brenner-Kopfplatte abprallende Luft über die Öffnung in den Spalt abströmen kann.
  • Ober diese Öffnung kann einerseits die kühlende Luft bedarfsgerecht quer zum äußeren Rand der Brenner-Kopfplatte bzw. des Brennraums hin geleitet werden, so dass deren Einfluss auf die Verbrennung minimiert wird, und kann andererseits der Luftstrom durch deren Durchmesser gezielt beeinflusst werden.
  • Gemäß noch einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners ist der Spalt als Ringspalt ausgebildet, wobei in der Wandung des Einsetzteils eine Mehrzahl von sich senkrecht zu den Durchgangspassagen erstreckenden entlang eines Umfangs des Spalts verteilten Öffnungen vorgesehen sind, die den zweiten Teilraum jeweils mit dem Spalt fluidverbinden, so dass von der Rückfläche der Brenner-Kopfpfatte abprallende Luft über die Öffnungen in den Spalt abströmen kann.
  • Durch die Ausbildung des Spalts als Ringspalt und durch das Vorsehen der dazu umfänglich verteilten Mehrzahl von Öffnungen kann die Luft nach dem Kühlen der Brenner-Kopfplatte äußerst gleichmäßig in den Brennraum verteilt werden, so dass deren Einfluss auf die Verbrennung weiter minimiert wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners erstreckt sich der Spalt parallel zu den Durchgangspassagen, so dass eine Strömungsrichtung der Luft durch den Spalt hindurch parallel zu einer Strömungsrichtung der Luft durch die Durchgangspassagen hindurch ist.
  • Erfindugsgemäß ist eine Weite des Spalts so bemessen, dass eine Strömungsgeschwindigkeit der Luft beim Austritt aus dem Spalt geringer als eine Strömungsgeschwindigkeit der Luft beim Eintritt in den Spalt ist.
  • Mit anderen Worten ist die Weite des Spalts möglichst so groß zu wählen, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Luft und damit deren Eindringtiefe in eine Hauptströmung der Verbrennung minimiert werden, was wiederum sicher stellt, dass die Hauptströmung so wenig wie möglich beeinflusst wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners sind in der Brenner-Kopfplatte eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen vorgesehen, die den zweiten Teilraum jeweils mit dem Brennraum fluidverbinden.
  • Dies stellt eine weitere Möglichkeit dar, den Luftstrom möglichst ohne Beeinflussung der Verbrennung bevorzugt am äußeren Rand der Brenner-Kopfplatte bzw. des Brennraums und unter Weiternutzung des Luftstroms für den Gesamtprozess nach erfolgter Kühlung abzuführen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners weisen die Durchgangsöffnungen jeweils einen Durchmesser in einem Bereich von 0,3 mm bis 1,5 mm auf, so dass die Durchgangsöffnungen eine Effusion der über die Durchgangspassagen in den zweiten Teilraum eingeströmten Luft durch die Brenner-Kopfplatte hindurch in den Brennraum hinein bewirken.
  • Diese Ausgestaltung der Erfindung unterstützt in vorteilhafter Weise sowohl die Kühleffizienz als auch die Beeinflussungsfreiheit des kühlenden Luftstroms.
  • Gemäß noch einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners ist die Brenner-Kopfplatte von einem porösen Material gebildet, so dass in den zweiten Teilraum eingeströmte Luft über Poren der Brenner-Kopfplatte in den Brennraum hinein abströmen kann.
  • Auch diese Ausgestaltung der Erfindung stellt eine vorteilhafte Möglichkeit dar, den kühlenden Luftstrom möglichst ohne Beeinflussung der Verbrennung und unter Weiternutzung des Luftstroms für den Gesarntprozess nach erfolgter Kühlung abzuführen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners ist in dem zweiten Teilraum eine Luftabführpassage vorgesehen, über die von der Rückfläche der Brenner-Kopfplatte abprallende Luft in Bezug auf einen Verbrennungsprozess im Brennraum strömungsabwärts der Brenner-Kopfplatte in den Brennraum eingespeist werden kann.
  • Mit anderen Worten wird hier eine externe Kühlung eingesetzt, wobei die Entnahme der kühlenden Luft wie in Verbindung mit den anderen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben oder an einem anderen Ort zwischen z.B. einem Verdichteraustritt und dem Luftsammelraum erfolgt. Nach erfolgter Kühlung wird die Luft nicht direkt in den Brennraum eingedüst, sondern abgeleitet. Die Luft wird also nicht unmittelbar nach dem Drallkörper, sondern an einer folgenden Position -stromab in Strömungsrichtung des Heißgases der Verbrennung betrachtet- eingeleitet. Mögliche Positionen für die Einleitung der Luft liegen im Bereich einer Sekundärzone des Brennraums bis hin zu einem Abgaskamin der Gasturbine.
  • Der Vorteil dieser Lösungen besteht darin, dass eine Beeinflussung der Hauptströmung und damit der Verbrennung durch den kühlenden Luftstrom ausgeschlossen wird. Zusätzlich steigt das nutzbare Druckgefälle der Kühlung und damit kann eine größere Temperaturabsenkung erreicht werden. Der Nachteil der Lösung besteht darin, dass die Luft nur noch teilweise oder gar nicht mehr für den Gasturbinen-Prozess genutzt werden kann.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Gasturbine mit einem Brenner gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination bereitgestellt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
    • Fig.1
    zeigt den üblichen Aufbau eines Brenners für eine Turbine wie eine Gasturbine.
    Fig.2
    zeigt in vergrößerter Ansicht einen Bereich X aus Fig. 1, wobei der Brenner mit einer erfindungsgemäßen internen Kühlung für die Brenner-Kopfplatte ausgerüstet ist.
  • Wie in Fig.1 und Fig.2 gezeigt, weist ein Brenner 1 einer Gasturbine (nicht vollständig gezeigt) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Gehäuse 10 auf, welches seinerseits ein Flammrohr 11, in dem die Verbrennung V eines Luft-Brenngas-Gemisches stattfindet, und einen Mantel 12 aufweist, welcher das Flammrohr 11 umgibt. Zwischen dem Flammrohr 11 und dem Mantel 12 ist ein Luftsammelraum 13 ausgebildet, welcher auch Plenum genannt wird und welcher stirnseitig von einem Brennerdeckel 70 begrenzt wird. In dem Flammrohr ist ein Brennraum 14 ausgebildet, welcher für die Verbrennung V des Luft-Brenngas-Gemisches vorgesehen ist.
  • Das Gehäuse 10 weist ferner einen Mischteil 15 auf, über welchen das Luft-Brenngas-Gemisch zur Verbrennung V im Brennraum 14 bereitgestellt wird. In dem Mischteil 15 ist ein Verbrennungsvorraum 16 ausgebildet.
  • Der Brenner 1 weist ferner einen plattenförmigen Zentraldeckel 20, eine Prallplatte 30 und eine Brenner-Kopfplatte 40 auf, die in dem Mischteil 15 des Gehäuses 10 angeordnet sind. Genauer gesagt bildet der Zentraldeckel 20 für zur Kühlung der Brenner-Kopfplatte 40 vorgesehene Kühlluft Keinen Eingang. Seitlich bzw, außenumfänglich in dem Brennraum 14 angeordnet weist der Brenner 1 ferner einen Drallkörper bzw. Mischkörper 80 auf, über den das Luft-Brenngas-Gemisch für die Verbrennung V erzeugt wird.
  • Zu diesem Zweck ist der Luftsammelraum 13 (Plenum) über Zuleitungselemente 21 (wie hier z.B. Rohre) mit Lufteinlassöffnungen 22 im Zentraldeckel 20 fluidverbunden, wobei in den Zuleitungselementen Steuermittel 21a z.B. in Form von Luftventilen vorgesehen sind, so dass der aus dem Luftsammelraum 13 durch die Zuleitungselemente 21 hindurch strömende Teilluftmassenstrom steuerbar ist.
  • In einer Strömungsrichtung der Kühlluft K strömungsabwärts des Zentraldeckels 20 ist parallel zu diesem die Prallplatte 30 im Verbrennungsvorraum 16 angeordnet Zwischen dem Zentraldeckel 20 und der Prallplatte 30 ist in Form eines Zwischenplenums ein erster Teilraum 16a des Verbrennungsvorraums 16 ausgebildet.
  • In einer Strömungsrichtung der Kühlluft K strömungsabwärts der Prallplatte 30 ist parallel zu dieser die Brenner-Kopfplatte 40 im Verbrennungsvorraum 16 angeordnet. Zwischen der Prallplatte 30 und der Brenner-Kopfplatte 40 ist ein zweiter Teilraum 16b des Verbrennungsvorraums 16 ausgebildet.
  • Mit anderen Worten ist die Prallplatte 30 so in dem Verbrennungsvorraum 16 angeordnet, dass sie den Verbrennungsvorraum 16 in den an die mit dem Luftsammelraum 13 fluidverbundenen Zuleitungselemente 21 angrenzenden ersten Teilraum 16a und den an die Brenner-Kopfplatte 40 angrenzenden zweiten Teilraum 16b unterteilt.
  • Die Brenner-Kopfplatte 20 ist in dem Verbrennungsorraum 16 des Gehäuses 10 so angeordnet, dass sie den Verbrennungsvorraum 16 von dem Brennraum 14 trennt, und bildet ein zentrales Bauteil des Brenners 1.
  • Eine symmetrische Entnahme des Teilluftmassenstroms aus dem Luftsammelraum 13, wie z.B. mittels mehreren Zuleitungselementen 21, gewährleistet sowohl eine homogenen Entnahme als auch eine homogene Zuströmung der Kühlluft K in den ersten Teilraum 16a. Der erste Teilraum 16a (Zwischenplenum) ist dabei so gestaltet, dass sich die Kühlluft K gleichmäßig verteilt und die Prallplatte (wie z.B. ein Prallblech) 30 gleichmäßig mit Kühlluft K versorgt wird.
  • Die Prallplatte 30 weist eine Mehrzahl von Durchgangspassagen 31 auf, die den ersten Teilraum 16a mit dem zweiten Teilraum 16b fluidverbinden, so dass über die Zuleitungselemente (Luftzuführung) 21 aus dem Luftsammelraum 13 in den ersten Teilraum 16a eingeströmte Kühlluft K über die Durchgangspassagen 31 in den zweiten Teilraum 16b einströmen und auf eine dem zweiten Teilraum 16b zugewandte Rückfläche 40a der Brenner-Kopfplatte 40 strömen kann.
  • Die Prallplatte 30 erstreckt sich parallel zu der Brenner-Kopfplatte 40, so dass die in den zweiten Teilraum 16b eingeströmte Kühlluft K im Wesentlichen senkrecht auf die Rückfläche 40a der Brenner-Kopfplatte 40 auftrifft.
  • Der zweite Teilraum 16b ist außenumfänglich von einem Einsetzteil 50 begrenzt, wobei in einer Wandung des Einsetzteils 50 eine Mehrzahl von sich senkrecht zu den Durchgangspassagen 31 erstreckenden Öffnungen 51 vorgesehen sind, Außenumfänglich des Einsetzteils ist ein Mantelteil 60 vorgesehen, welches den Mischteil 15 außenumfänglich begrenzt. Das Mantelteil 60 ist wiederum in den den Luftsammelraum 13 verschließenden bzw. begrenzenden Brennerdeckel 70 des Brenners 1 eingesetzt und wird von diesem gehalten.
  • Zwischen dem Einsetzteil 50 und dem Mantelteil 60 sowie außenumfänglich der Brenner-Kopfplatte 40 ist ein Spalt S in Form eines Ringspalts vorgesehen, über den der zweite Teilraum 16b mit dem Brennraum 14 fluidverbunden ist, so dass von der Rückfläche 40a der Brenner-Kopfplatte 40 abprallende Kühlluft K über den Spalt in den Brennraum 14 abströmen kann.
  • Genauer gesagt ist der zweite Teilraum 16b über die entlang eines Umfangs des Spalts S verteilten Öffnungen 51 mit dem Spalt S fluidverbunden, so dass von der Rückfläche 40a der Brenner-Kopfplatte 40 abprallende Kühlluft K über die Öffnungen 51 in den Spalt S abströmen kann.
  • Der Spalt S erstreckt sich parallel zu den Durchgangspassagen 31 und mündet in den Brennraum 14, so dass eine Strömungsrichtung der Kühlluft K durch den Spalt S hindurch parallel zu einer Strömungsrichtung der Kühlluft K durch die Durchgangspassagen 31 hindurch ist.
  • Im Fazit wird, nachdem die über die Durchgangspassagen 31 erzeugten Kühlluftjets der Flammhalteplatte 40 Wärme entzogen haben, die Kühlluft K über die seitlichen Öffnungen 51, welche vorzugsweise als Bohrungen ausgeführt sind, in den Spalt S und von dort in den Brennraum 14 abgeführt.
  • Die Effizienz der Prallkühlung lässt sich durch die Wahl der Belochung in der Prallplatte 30 und des Druckverlustes (Einzeldruckverluste der Kühlluftstrecke) variieren. Das treibende Druckgefälle wird im Wesentlichen durch den Druckverlust eines Hauptluftmassenstromes (für den Verbrennungsprozess) durch den Drallkörper 80 hindurch vorgegeben
  • Wie schon eingangs erwähnt, ist die Wärmebelastung im Zentrum der Brenner-Kopfplatte bzw. Brennerplatte 40 am höchsten, wobei bei der erfindungsgemäß realisierten Kühlung das Zentrum der Brenner-Kopfplatte 40 am effizientesten gekühlt wird. Mit zunehmendem Durchmesser steigt ein Querstrom an und die Effizienz der Kühlung verringert sich. Insofern passt die vorgeschlagene Kühlung zu der aufgeprägten heißgasseitigen bzw. brennraumseitigen thermischen Belastung der Brenner-Kopfplatte 40.
  • Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Eindüsung der Kühlluft K möglichst "außen", fern einer mittleren Rezirkulationsströmung RS des Brenners 1 erfolgen sollte, womit sichergestellt wird, dass eine Kemzone der Rezirkulationsströmung RS nicht gestört wird. Ferner wurde erfindungsgemäß erkannt, dass es ebenfalls wichtig ist, den Impuls der Kühlluft K beim Eintritt in den Brennraum 14 möglichst gering zu halten, womit eine zu große Eindringtiefe des Kühlluftstromes in die auf die Verbrennung V bezogene Hauptströmung verhindert wird und damit die Hauptströmung so wenig wie möglich beeinflusst wird.
  • Um diesen Erfordernissen zu genügen, sollte ein Durchmesser D (siehe Fig.2) für die Einleitung der Kühlluft K in den Brennraum 14 möglichst groß gewählt werden und kann sich bevorzugt nach der Vorschrift D (>1/2d) ergeben, wobei d ein Durchmesser der Brenner-Kopfplatte 40 ist. Mit anderen Worten sollte eine Weite des Spalts S möglichst groß bemessen sein und sollte der Spalt S möglichst weit radial außen in Bezug auf die Brenner-Kopfplatte 40 angeordnet sein. Die durch das Mantelteil 60 und das Einsetzteil 50 definierte Weite des Spalts S ist dabei bevorzugt so bemessen, dass eine Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft K beim Austritt aus dem Spalt S in den Brennraum 14 hinein geringer als eine Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft beim Eintritt in den Spalt S ist.
  • Im Fazit beruht die erfindungsgemäß realisierte Kühlung der Brenner-Kopfplatte 40 auf einer Prallkühlung, die die Brenner-Kopfplatte 40 als zentrales Bauteil des Brenners 1 sehr effizient kühlt. Durch eine geeignete Wahl der Kühllufteindüsung am Rand der Brenner-Kopfplatte 40 wird der Verbrennungsprozess nicht negativ beeinflusst. Außerdem kann gemäß der in den Figuren gezeigten Ausführungsform der Erfindung die Kühlluft K dem Gesamtprozess erhalten bleiben (als Variante ist auch eine nachfolgend noch beschriebene externe Abfuhr der Kühlluft K möglich). Als Auslegungskriterium der Kühlung dient der Druckverlust über den bzw. die Brenner 1 der Gasturbine.
  • Zusätzlich lassen sich bei der vorgeschlagenen Lösung leicht Armaturen zur Optimierung der Kühlung bzw, der Kühlluftmenge implementieren, wie z.B. die Steuermittel 21a.
  • Obwohl in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellt, können alternativ oder zusätzlich zu dem Spalt S und den Öffnungen 51 auch in der Brenner-Kopfplatte 40 selbst eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen vorgesehen sein, die den zweiten Teilraum 16b jeweils mit dem Brennraum 14 fluidverbinden.
  • Auf diese Weise kann die über die Durchgangspassagen 31 in den zweiten Teilraum 16b eingeströmte Kühlluft K dann direkt über die Brenner-Kopfplatte 40 aus dem zweiten Teilraum 16b in den Brennraum 14 abgeführt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Variante können diese Durchgangsöffnungen jeweils einen Durchmesser in einem Bereich von 0,3 mm bis 1,5 mm aufweisen, so dass die Durchgangsöffnungen eine Effusion der über die Durchgangspassagen 31 in den zweiten Teilraum 16b eingeströmten Kühlluft K durch die Brenner-Kopfplatte 40 hindurch in den Brennraum 14 hinein bewirken.
  • Alternativ zu den Durchgangsöffnungen kann die Brenner-Kopfplatte 40 von einem porösen Material gebildet sein, so dass in den zweiten Teilraum 16b eingeströmte Kühlluft K über Poren der Brenner-Kopfplatte 40 in den Brennraum 14 hinein abströmen kann.
  • In jedem dieser vorgenannten Fälle wird die Kühlluft K dem primären Verbrennungsprozess wieder zugeführt.
  • Alternativ dazu kann, obwohl ebenfalls nicht in den Figuren 1 und 2 gezeigt, in dem zweiten Teilraum 16b eine Luftabführpassage vorgesehen sein, über die von der Rückfläche 40a der Brenner-Kopfplatte 40 abprallende Kühlluft K in Bezug auf den Verbrennungsprozess im Brennraum 14 strömungsabwirts der Brenner-Kopfplatte 40 entfernt von dieser eingespeist wird.
  • Mit anderen Worten wird hier eine externe Kühlung eingesetzt, wobei die Entnahme der Kühlluft K wie bereits oben in Verbindung mit den anderen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben oder an einem anderen Ort zwischen z.B. einem Verdichteraustritt und dem Luftsammelraum 13 erfolgt. Nach erfolgter Kühlung wird die Kühlluft K nicht direkt in den Brennraum 14 eingedüst, sondern abgeleitet. Die Kühlluft K wird also nicht unmittelbar nach dem Drallkörper 80, sondern an einer folgenden Position -stromab in Strömungsrichtung des Heißgases der Verbrennung V betrachtet- eingeleitet. Mögliche Positionen für die Einleitung der Kühlluft K liegen im Bereich einer Sekundärzone des Brennraums 14 bis hin zu einem Abgaskamin der Gasturbine.
  • Der Vorteil dieser Lösungen besteht darin, dass eine Beeinflussung der Hauptströmung und damit der Verbrennung V durch den Kühlluftstrom ausgeschlossen wird. Zusätzlich steigt das nutzbare Druckgefälle der Kühlung und damit kann eine größere Temperaturabsenkung erreicht werden. Der Nachteil der Lösung besteht darin, dass die Kühlluft K nur noch teilweise oder gar nicht mehr für den Gasturbinen-Prozess genutzt werden kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brenner
    10
    Gehäuse
    11
    Flammrohr
    12
    Mantel
    13
    Luftsammelraum
    14
    Brennraum
    15
    Mischteil
    16
    Verbrennungsvorraum
    16a
    erster Teilraum
    16b
    zweiter Teilraum
    20
    Zentraldeckel
    21
    Zuleitungselement
    21a
    Steuermittel
    22
    Lufteinlassöffnungen
    30
    Prallplatte
    31
    Durchgangspassagen
    40
    Brenner-Kopfplatte
    40a
    Rückflache
    50
    Einsetzteil
    51
    Öffnung
    60
    Mantelteil
    70
    Brennerdeckel
    80
    Drallkörper
    S
    Spalt
    V
    Verbrennung
    K
    Kuhlluft
    RS
    Rezirkulationsströmung

Claims (11)

  1. Brenner (1) für eine Turbine, aufweisend:
    ein Gehäuse (10), in dem ein Luftsammelraum (13), ein Verbrennungsvorraum (16) und ein Brennraum (14) ausgebildet sind,
    eine Brenner-Kopfplatte (40), die in dem Gehäuse (10) angeordnet ist, so dass die Brenner-Kopfplatte (40) den Verbrennungsvorraum (16) von dem Brennraum (14) trennt,
    eine Prallplatte (30), die in dem Verbrennungsvorraum (16) angeordnet ist, so dass die Prallplatte (30) den Verbrennungsvorraum (16) in einen an eine mit dem Luftsammelraum (13) fluidverbundene Luftzuführung angrenzenden ersten Teilraum (16a) und einen an die Brenner-Kopfplatte (40) angrenzenden zweiten Teilraum (16b) unterteilt,
    wobei die Prallplatte (30) eine Mehrzahl von Durchgangspassagen (31) aufweist, die den ersten Teilraum (16a) mit dem zweiten Teilraum (16b) fluidverbinden, so dass über die Luftzuführung aus dem Luftsammelraum (13) in den ersten Teilraum (16a) eingeströmte Luft über die Durchgangspassagen (31) in den zweiten Teilraum (16b) einströmen und auf eine dem zweiten Teilraum (16b) zugewandte Rückfläche (40a) der Brenner-Kopfplatte (40) strömen kann, wobei sich die Prallplatte (30) parallel zu der Brenner-Kopfplatte (40) erstreckt, so dass in den zweiten Teilraum (16b) eingeströmte Luft senkrecht auf die Rückfläche (40a) der Brenner-Kopfplatte (40) auftrifft und wobei außenumfänglich der Brenner-Kopfplatte (40) ein Spalt (S) vorgesehen ist, über den der zweite Teilraum (16b) mit dem Brennraum (14) fluidverbunden ist, so dass von der Rückfläche (40a) der Brenner-Kopfplatte (40) abprallende Luft über den Spalt (S) in den Brennraum (14) abströmen kann, gekennzeichnet dadurch, dass eine Weite des Spalts (S) so bemessen ist, dass eine Strömungsgeschwindigkeit der Luft beim Austritt aus dem Spalt (S) in den Brennraum (14) geringer als eine Strömungsgeschwindigkeit der Luft beim Eintritt in den Spalt (S) ist.
  2. Brenner (1) gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Teilraum (16b) außenumfänglich von einem Einsetzteil (50) begrenzt ist, und wobei in einer Wandung des Einsetzteils (50) eine sich senkrecht zu den Durchgangspassagen (31) erstreckende Öffnung (51) vorgesehen ist, die den zweiten Teilraum (16b) mit dem Spalt (S) fluidverbindet, so dass von der Rückfläche (40a) der Brenner-Kopfplatte (40) abprallende Luft über die Öffnung (51) in den Spalt (S) abströmen kann.
  3. Brenner (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Spalt (S) als Ringspalt ausgebildet ist, und wobei in der Wandung des Einsetzteils (50) eine Mehrzahl von sich senkrecht zu den Durchgangspassagen (31) erstreckenden entlang eines Umfangs des Spalts (S) verteilten Öffnungen (51) vorgesehen sind, die den zweiten Teilraum (16b) jeweils mit dem Spalt (S) fluidverbinden, so dass von der Rückfläche (40a) der Brenner-Kopfplatte (40) abprallende Luft über die Öffnungen (51) in den Spalt (S) abströmen kann.
  4. Brenner (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich der Spalt (S) parallel zu den Durchgangspassagen (31) erstreckt, so dass eine Strömungsrichtung der Luft durch den Spalt (S) hindurch parallel zu einer Strömungsrichtung der Luft durch die Durchgangspassagen (31) hindurch ist.
  5. Brenner (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in der Brenner-Kopfplatte (40) eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen vorgesehen sind, die den zweiten Teilraum (16b) jeweils mit dem Brennraum (14) fluidverbinden.
  6. Brenner (1) gemäß Anspruch 5, wobei die Durchgangsöffnungen jeweils einen Durchmesser in einem Bereich von 0,3 mm bis 1,5 mm aufweisen, so dass die Durchgangsöffnungen eine Effusion der über die Durchgangspassagen (31) in den zweiten Teilraum (31) eingeströmten Luft durch die Brenner-Kopfplatte (40) hindurch in den Brennraum (14) hinein bewirken.
  7. Brenner (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Brenner-Kopfplatte (40) von einem porösen Material gebildet ist, so dass in den zweiten Teilraum (16b) eingeströmte Luft über Poren der Brenner-Kopfplatte (40) in den Brennraum (14) hinein abströmen kann.
  8. Brenner (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem zweiten Teilraum (16b) eine Luftabführpassage vorgesehen ist, über die von der Rückfläche (40a) der Brenner-Kopfplatte (40) abprallende Luft in Bezug auf einen Verbrennungsprozess im Brennraum (14) strömungsabwärts der Brenner-Kopfplatte (40) eingespeist werden kann.
  9. Brenner (1) gemäß Anspruch 8, wobei die Luftabführpassage in eine Sekundärzone des Brennraums (14) mündet.
  10. Brenner 1 gemäß Anspruch 8, wobei die Luftabführpassage in einen Abgaskamin des Brenners (1) mündet.
  11. Gasturbine mit einem Brenner (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
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