EP2362142A1 - Burner assembly - Google Patents
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- EP2362142A1 EP2362142A1 EP10154109A EP10154109A EP2362142A1 EP 2362142 A1 EP2362142 A1 EP 2362142A1 EP 10154109 A EP10154109 A EP 10154109A EP 10154109 A EP10154109 A EP 10154109A EP 2362142 A1 EP2362142 A1 EP 2362142A1
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- EP
- European Patent Office
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- carrier
- fuel
- burner
- fuel nozzle
- gas
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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
- F23R3/283—Attaching or cooling of fuel injecting means including supports for fuel injectors, stems, or lances
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D23/00—Assemblies of two or more burners
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
- F23C2900/07021—Details of lances
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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
- F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
- F23R2900/00018—Manufacturing combustion chamber liners or subparts
Definitions
- the present invention relates to a burner assembly and a gas turbine having such a burner assembly.
- a gas turbine comprises as essential components a compressor, a turbine with moving blades and at least one combustion chamber.
- the blades of the turbine are arranged as blade rings on a shaft extending mostly through the entire gas turbine, which is coupled to a consumer, such as a generator for power generation.
- the shaft provided with the blades is also called turbine runner or rotor. Between the blade rings are vanes, which serve as nozzles for guiding the working fluid through the turbine.
- the combustion chamber is supplied with compressed air from the compressor.
- the compressed air is mixed with a fuel, such as oil or gas, and the mixture burned in the combustion chamber.
- the hot combustion exhaust gases are finally supplied as a working medium via a combustion chamber outlet of the turbine, where they transmit momentum to the blades under relaxation and cooling and thus do work.
- the vanes serve to optimize the momentum transfer.
- a typical burner assembly for gas turbines as shown in US 6,082,111 is described and how it is used in particular in so-called tube combustion chambers, usually has an annular support with uniformly distributed around the circumference of the ring number of fuel nozzles.
- fuel nozzle openings are arranged, with which fuel can be injected into an air supply channel.
- the fuel nozzles represent a main stage of the burner, which is used to generate a premix flame, ie a flame, in which the air and the fuel before the Ignition can be mixed, serves.
- premix burners are operated with lean air-fuel mixtures, ie with mixtures which contain relatively little fuel.
- pilot burner Through the center of the annular fuel distributor ring typically extends a pilot burner, which is designed as a diffusion burner, i. it produces a flame in which the fuel is injected directly into the flame without first being mixed with air.
- the pilot burner in addition to starting the gas turbine, also serves to stabilize the premix flame which, to minimize emissions, is often operated in a range of air to fuel mixing ratio which could lead to flame instabilities without assistive pilot flame.
- a burner assembly such as the burner assembly described, typically includes a number of fuel nozzles machined from a block of metal and welded to the carrier to supply fuel to the combustion chamber.
- the carrier distributes the fuel to the individual nozzles through incorporated fuel passages (distribution channels).
- the carrier blank and thus the subsequent carrier must have a certain minimum thickness. This increases the weight of the burner assembly and the material costs. In addition, machine incorporation is laborious.
- the carrier also heats up, but the fuel-carrying lines remain cold. This results in thermal stresses and the carrier does not meet the requirement for a long service life.
- the burner assembly according to the invention comprises a carrier and a number of fuel nozzles, which are mounted in the flow direction on the carrier. It has been recognized that when used as a fuel distributor, the carrier has a minimum height, i. must have a certain thickness. Since the carrier designed as a fuel distributor is exposed directly to the hot gas in the combustion chamber, it must be made of high-temperature-resistant material, e.g. consist of a superalloy. These are very expensive.
- a burner arrangement has a carrier and at least two fuel nozzles with fuel nozzle tips fixed to the carrier in the flow direction.
- each fuel nozzle comprises a carrier-side portion, which carrier side has a contact surface, with which it bears against a bearing surface of the carrier, wherein emanating from the carrier-side portion at least two integrally formed fuel nozzle tips in the flow direction.
- the burner assembly according to the invention has a gas supply supply system extending through the carrier to the fuel nozzle tips.
- the gas supply supply system comprises at least one gas supply line and its passage through the carrier.
- the carrier can be dispensed with a distribution channel in the carrier.
- the material thickness of the carrier can be reduced, whereby weight and cost can be saved.
- the requirements for the installation space of the burner assembly in the region of the side facing away from the fuel nozzles side of the carrier in comparison to the prior art are less stringent. Overall, the machining of the carrier is simplified.
- the gas supply supply system comprises at least one gas supply line and its passage through the carrier.
- the gas supply line remains largely cold during operation by the gas flowing through and the carrier is heated by the compressor air, this results in thermal stresses that do not guarantee a sufficient life. This is especially the case when the gas supply line to the carrier materially connected, e.g. is welded, for example, to cause a seal of the implementation. Also arises with additional attachment of the fuel nozzle to the support by screws a double fixation, which also have a life-shortening effect.
- the bushing is designed as a fit instead of the weld. This may in particular be a dimensional or transitional fit.
- both parts have the same nominal size, but the position and size of the tolerance fields can be different.
- a fit always indicates a tolerance in which the actual dimensions of bore and shaft are allowed to move.
- Another problem of the prior art fuel nozzle is the fixation of the fuel nozzles to the carrier, because the burner nozzles must be arranged perpendicular to the carrier in the manufacturing process.
- the fuel nozzles can now be centered on the gas supply line, so that here no increased effort is required.
- At least one distributor channel is provided on the carrier side, which supplies the gas supply line with gas. Since the distribution channels now lie on the downstream side of the carrier and are not directly in contact with hot gas, as was the case originally with the distribution channel, the distribution channels can now be made of less expensive material. This can significantly save costs. That is, the fuel is already distributed to the carrier before (seen in the direction of flow) and is not split after the carrier on the channels.
- a further fuel supply line for liquid fuel through the support in particular oil line, is provided, which supplies the fuel nozzle on the carrier side with liquid fuel, in particular oil.
- the fuel nozzle is supplied with gas and oil.
- At least one seal is present between the carrier-side contact surface and the carrier.
- the seal is the carrier side in the region of the fit and gas supply line, so arranged the gas pipe.
- the at least one seal can be designed as a c-ring seal.
- the carrier can identify a bulge, in which the seal is arranged.
- the carrier-side contact surface of the fuel nozzle on at least one opening for attachment of the carrier-side contact surface on the support surface of the carrier.
- the opening is a bore and the attachment is a screw or a bolt connection.
- six holes for screw or bolt connections are provided in the carrier-side contact surface, wherein the holes are distributed over the entire carrier-side contact surface of the fuel nozzle. Due to the distribution pattern of the holes on the entire contact surface, the fuel nozzle has high natural frequencies, which can be quickly damped. Thus, the fuel nozzle is stable against natural frequencies.
- the gas turbine according to the invention comprises a compressor section, a combustion section, a combustion chamber, a burner, a turbine section, a rotor and such a burner arrangement. As a result, the gas turbine is particularly easy.
- FIG. 1 showing a highly schematic sectional view of a gas turbine, explaining the structure and function of a gas turbine.
- the gas turbine 1 comprises a compressor section 3, a combustion section 4, which in the present embodiment comprises a plurality of tube combustion chambers 5 with burners 6 arranged thereon, but in principle may also comprise an annular combustion chamber, and a turbine section 7.
- a rotor 9, also called a runner, extends extending through all sections and carries in the compressor section 3 compressor blade rings 11 and the turbine section 7 turbine blade rings 13.
- FIG. 2 shows a known from the prior art burner 6 of the combustion section 4 in a perspective view.
- the burner 6 comprises a fuel distributor ring 27, eight fuel nozzles 29 extending from the fuel distributor ring 27 and eight swirlers 31 arranged in the region of the tips of the fuel nozzles 29.
- the fuel distributor ring 27 and the fuel nozzles 29 together form a burner housing through which fuel lines extend to Eindüsö réelleen which are disposed within the swirl generator 31.
- the fuel nozzles 29 may be welded to the fuel distributor ring 27.
- the burner can be connected to fuel supply lines.
- the burner 6 can be attached to a tube combustion chamber so that the fuel nozzles 29 point towards the interior of the combustion chamber.
- burner 6 has eight fuel nozzles 29, it is also possible to equip it with a different number of fuel nozzles 29.
- the number of fuel nozzles 29 may be greater than or less than eight, for example, six fuel nozzles 29 or twelve fuel nozzles 29 may be present, each having its own swirl generator.
- a pilot fuel nozzle is usually arranged in the center of the burner. The pilot fuel nozzle is in for clarity FIG. 2 not shown.
- air from the compressor is passed through the swirl generators 31 where it is mixed with fuel. Subsequently, the air-fuel mixture is then burned in the combustion zone of the combustion chamber 5 to form the working medium.
- the carrier 27 has the task of distributing the fuel to the fuel nozzles 29. It is internally provided with fuel channels, each of which supplies a number of nozzles 29 with fuel. On the carrier 27 there are 2 connections for fuel supply lines, which guide the fuel to the carrier 27, in which it is subsequently distributed to the fuel nozzles 29. These can also be different types of fuel.
- the fuel nozzles 29 have for this purpose at least one fuel opening at which the fuel can escape.
- the channels are typically milled by machine into a cylindrical carrier blank and then covered with welded-on elements.
- the bushings for the pipelines are machined into the carrier blank.
- the carrier blank and thus the subsequent carrier must have a certain minimum thickness. This increases the weight of the burner assembly and the material costs.
- the machine incorporation is laborious and therefore associated with high costs.
- Another problem is the production of the fuel nozzles 29 to the carrier 27, because the burner nozzles 29 must be welded perpendicular to the carrier 27. This production is also very tedious and associated with increased effort and therefore costs.
- the fuel nozzles are welded to the swirl generator 31.
- the carrier 27 is exposed to high temperatures such as Therefore, the carrier 27 and fuel nozzles 29 must be made of high temperature resistant material, such as corrosion-resistant nickel-based alloys. However, this material also drives up the costs greatly.
- a burner arrangement is provided with a carrier 37 and at least two fuel nozzles 40 attached to the carrier 37 in the flow direction.
- each fuel nozzle 40 has a carrier-side section 45, which carrier side 100 has a bearing surface 60, with which it bears against a bearing surface 55 of the carrier 37.
- At least two integrally formed fuel nozzle tips 47a, 47b extend from the carrier-side section 45 in the flow direction, that is to say in the direction of the combustion chamber 5.
- the fuel nozzle 40 has a gas supply supply system 120 extending through the carrier 37, which transports gas to the fuel nozzle tips 47a, 47b.
- the gas supply supply system 120 comprises at least one gas supply line 70, one in the form of a gas tube 70 and its passage through the carrier 37.
- the feedthrough may be a bore.
- the implementation in particular the bore, designed as a fit 75.
- the passage of the gas pipe 70 is therefore carried out according to the invention as a fit 75 and thus allows little flow, for example, compressor air inlet or gas outlet. This is especially a dimensional or transitional fit.
- the carrier 37 can thus freely expand during operation. Thermal stresses are thus eliminated or greatly reduced, resulting in an increase in life.
- the gas pipe 70 remains largely cold during operation, whereas the carrier 37 heats up. In this case, the carrier 37 expands. If, as in the prior art, the gas pipe 70 is welded to the carrier 37 for the purpose of sealing, then high stresses in the welding region can result from the thermal expansion. When welding, the service life requirements are therefore not met by the different extent of the carrier 37 and the gas pipe 70. If, in addition, the fuel nozzle 40 is still bolted to the carrier 37, the attachment of the fuel nozzle 40 to the carrier 37 is overdetermined by the welding and the screw connection, which likewise has a negative effect on the service life.
- At least one seal 80 is preferably present on the wearer 100 end of the fit 75, particularly in the region of the fit 75 and the gas tube 70.
- the carrier 37 can identify a bulge, in which the seal 80 is arranged.
- Such a seal 80 may in particular be designed as a c-ring seal. These are particularly well suited as seals due to their springback properties. In principle, however, other resilient seals such as o-ring seals are possible. Due to the elasticity of the seal, excessive restrictions on relative movements, which could occur, for example, due to the operational heating of the components, can be avoided.
- Another problem of the prior art fuel nozzle is the manufacture of the fuel nozzles 40 to the carrier 37, because the fuel nozzles 40 must be arranged perpendicular to the carrier 37 in the manufacturing process. This production is also very tedious and associated with increased effort and therefore costs.
- through holes may be arranged through which in addition at least one oil passage is guided through the carrier 37 therethrough.
- Codabmen 101 is at least one distribution channel (not shown), but mostly two distribution channels each for oil and gas, provided which supply the gas supply pipe 70 and the at least one oil channel already carrier downstream 101 with the appropriate fuel. Since the distribution channels are not directly in contact with the hot gas in the combustion chamber, they can be made of a low-cost material.
- the carrier-side contact surface 60 has holes for attachment of the fuel nozzles 40 on the carrier.
- the carrier 37 has corresponding openings or holes. Through these holes, the fuel nozzle 40 can be secured to the carrier 37 by means of a screw or a bolt connection.
- the holes are distributed over the entire carrier-side contact surface 60. By this distribution of the holes, the fuel nozzle 40 high natural frequencies that can be quickly damped. Thus, the fuel nozzle 40 is stable against natural frequencies.
- the screw or bolt connection secures the fuel nozzle 40 to the carrier 37 and thus takes over a large part of the pressure loads during operation.
- the holes in the carrier-side abutment surface 60, as well as the corresponding holes / holes in the carrier 37 may be provided with large measurement tolerances, so that a quick and easy production is possible.
- the burner assembly according to the invention it is possible to significantly increase the life of the burner assembly. This is due to the fact that the now possible free thermal deformations no longer build up disabling thermal stresses.
- the fuel nozzle 40 can be easily centered over the gas pipe 70.
- the c-ring seal prevents unwanted leaks; An uncontrolled gas and / or compressor air entering or exiting can thus be avoided.
- the individual fuel nozzles 40 can now be detached from the carrier easily and non-destructively, whereby the assembly / disassembly is in particular improved. This is of enormous benefit; especially when checking already manufactured and put into operation systems.
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brenneranordnung und eine Gasturbine mit einer solchen Brenneranordnung.The present invention relates to a burner assembly and a gas turbine having such a burner assembly.
Eine Gasturbine umfasst als wesentliche Bestandteile einen Verdichter, eine Turbine mit Laufschaufeln sowie wenigstens eine Brennkammer. Die Laufschaufeln der Turbine sind als Laufschaufelkränze an einer sich zumeist durch die gesamte Gasturbine erstreckende Welle angeordnet, die mit einem Verbraucher, etwa einem Generator zur Stromerzeugung, gekoppelt ist. Die mit den Laufschaufeln versehene Welle wird auch Turbinenläufer oder Rotor genannt. Zwischen den Laufschaufelkränzen befinden sich Leitschaufelkränze, die als Düsen zum Leiten des Arbeitsmediums durch die Turbine dienen.A gas turbine comprises as essential components a compressor, a turbine with moving blades and at least one combustion chamber. The blades of the turbine are arranged as blade rings on a shaft extending mostly through the entire gas turbine, which is coupled to a consumer, such as a generator for power generation. The shaft provided with the blades is also called turbine runner or rotor. Between the blade rings are vanes, which serve as nozzles for guiding the working fluid through the turbine.
Im Betrieb der Gasturbine wird der Brennkammer verdichtete Luft aus dem Verdichter zugeführt. Die verdichtete Luft wird mit einem Brennstoff, beispielsweise Öl oder Gas, vermischt und das Gemisch in der Brennkammer verbrannt. Die heißen Verbrennungsabgase werden schließlich als Arbeitsmedium über einen Brennkammerausgang der Turbine zugeführt, wo sie unter Entspannung und Abkühlung Impuls auf die Laufschaufeln übertragen und so Arbeit leisten. Die Leitschaufeln dienen dabei zum Optimieren des Impulsübertrags.During operation of the gas turbine, the combustion chamber is supplied with compressed air from the compressor. The compressed air is mixed with a fuel, such as oil or gas, and the mixture burned in the combustion chamber. The hot combustion exhaust gases are finally supplied as a working medium via a combustion chamber outlet of the turbine, where they transmit momentum to the blades under relaxation and cooling and thus do work. The vanes serve to optimize the momentum transfer.
Eine typische Brenneranordnung für Gasturbinen, wie sie in
Durch das Zentrum des ringförmigen Brennstoffverteilerrings erstreckt sich typischerweise ein Pilotbrenner, der als Diffusionsbrenner ausgebildet ist, d.h. er erzeugt eine Flamme, bei welcher der Brennstoff direkt in die Flamme eingedüst wird, ohne vorher mit Luft vermischt zu werden. Der Pilotbrenner dient außer zum Anfahren der Gasturbine auch zum Stabilisieren der Vormischflamme, die zum Minimieren des Schadstoffausstoßes häufig in einem Bereich des Mischungsverhältnisses von Luft zu Brennstoff betrieben wird, der ohne unterstützende Pilotflamme zu Flammeninstabilitäten führen könnte.Through the center of the annular fuel distributor ring typically extends a pilot burner, which is designed as a diffusion burner, i. it produces a flame in which the fuel is injected directly into the flame without first being mixed with air. The pilot burner, in addition to starting the gas turbine, also serves to stabilize the premix flame which, to minimize emissions, is often operated in a range of air to fuel mixing ratio which could lead to flame instabilities without assistive pilot flame.
Eine Brenneranordnung wie die beschriebene Brenneranordnung weist typischerweise eine Anzahl von maschinell aus einem Metallblock heraus gearbeiteten und mit dem Träger verschweißten Brennstoffdüsen zum Zuführung von Brennstoff zur Brennkammer auf. Der Träger verteilt dabei den Brennstoff auf die einzelnen Düsen durch eingearbeitete Brennstoffpassagen (Verteilerkanäle).A burner assembly, such as the burner assembly described, typically includes a number of fuel nozzles machined from a block of metal and welded to the carrier to supply fuel to the combustion chamber. The carrier distributes the fuel to the individual nozzles through incorporated fuel passages (distribution channels).
Um genügend Platz für das maschinelle Einarbeiten der Brennstoffpassagen zur Verfügung stellen zu können, muss der Trägerrohling und damit der spätere Träger eine gewisse Mindestdicke aufweisen. Dies erhöht das Gewicht der Brenneranordnung sowie die Materialkosten. Außerdem ist das maschinelle Einarbeiten arbeitsaufwändig.To be able to provide sufficient space for the machine incorporation of the fuel passages, the carrier blank and thus the subsequent carrier must have a certain minimum thickness. This increases the weight of the burner assembly and the material costs. In addition, machine incorporation is laborious.
Im Betrieb erwärmt sich zudem der Träger, die brennstoffführenden Leitungen bleiben jedoch kalt. Dadurch ergeben sich thermische Spannungen und der Träger erfüllt die Anforderung an eine hohe Lebensdauer nicht.During operation, the carrier also heats up, but the fuel-carrying lines remain cold. This results in thermal stresses and the carrier does not meet the requirement for a long service life.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Brenneranordnung zur Verfügung zu stellen, insbesondere eine vorteilhafte Brenneranordnung für Gasturbinen, welche die erforderliche Lebensdauer erfüllt. Es ist eine weitere Aufgabe eine vorteilhafte Gasturbine mit einer solchen Brenneranordnung zur Verfügung zu stellen.It is therefore an object of the present invention to provide an advantageous burner arrangement available, in particular an advantageous burner assembly for gas turbines, which meets the required life. It is a further object to provide an advantageous gas turbine with such a burner arrangement available.
Diese Aufgabe wird durch eine Brenneranordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die auf die Gasturbine bezogene Aufgabe wird durch die Angabe einer Gasturbine nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved by a burner assembly according to claim 1. The object related to the gas turbine is solved by specifying a gas turbine according to claim 10. The dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.
Die erfindungsgemäße Brenneranordnung umfasst einen Träger sowie eine Anzahl von Brennstoffdüsen, welche in Strömungsrichtung an dem Träger montiert sind. Es wurde erkannt, dass der Träger wenn er als Brennstoffverteiler verwendet wird, eine Mindesthöhe aufweisen, d.h. eine gewisse Dicke aufweisen muss. Da der als Brennstoffverteiler ausgebildete Träger direkt dem Heißgas in der Brennkammer ausgesetzt ist, muss dieser aus hochtemperaturfesten Material, z.B. aus einer Superlegierung bestehen. Diese sind jedoch sehr teuer.The burner assembly according to the invention comprises a carrier and a number of fuel nozzles, which are mounted in the flow direction on the carrier. It has been recognized that when used as a fuel distributor, the carrier has a minimum height, i. must have a certain thickness. Since the carrier designed as a fuel distributor is exposed directly to the hot gas in the combustion chamber, it must be made of high-temperature-resistant material, e.g. consist of a superalloy. These are very expensive.
Erfindungsgemäß weist daher eine Brenneranordnung einen Träger und wenigstens zwei in Strömungsrichtung an dem Träger befestigte Brennstoffdüsen mit Brennstoffdüsenspitzen auf. Dabei umfasst jede Brennstoffdüse einen trägerseitigen Abschnitt, welcher trägerseitig eine Anlagefläche aufweist, mit der er an einer Auflagefläche des Trägers anliegt, wobei von dem trägerseitigen Abschnitt mindestens zwei einstückig ausgebildete Brennstoffdüsenspitzen in Strömungsrichtung ausgehen. Zudem weist die erfindungsgemäße Brenneranordnung ein sich durch den Träger erstreckendes Gaszufuhrzufuhrsystem zu den Brennstoffdüsenspitzen auf. Erfindungsgemäß umfasst das Gaszufuhrzufuhrsystem zumindest eine Gaszufuhrleitung und dessen Durchführung durch den Träger. Erfindungsgemäß ist nun die Durchführung als Passung ausgeführt. Dies kann insbesondere eine Maß- oder Übergangspassung sein.According to the invention, therefore, a burner arrangement has a carrier and at least two fuel nozzles with fuel nozzle tips fixed to the carrier in the flow direction. In this case, each fuel nozzle comprises a carrier-side portion, which carrier side has a contact surface, with which it bears against a bearing surface of the carrier, wherein emanating from the carrier-side portion at least two integrally formed fuel nozzle tips in the flow direction. In addition, the burner assembly according to the invention has a gas supply supply system extending through the carrier to the fuel nozzle tips. According to the invention, the gas supply supply system comprises at least one gas supply line and its passage through the carrier. According to the invention, the implementation is now carried out as a fit. This may in particular be a dimensional or transitional fit.
Somit kann auf einen Verteilerkanal im Träger verzichtet werden. Dadurch kann die Materialstärke des Trägers verringert werden, wodurch Gewicht und Kosten eingespart werden. Außerdem sind die Anforderungen an den Einbauraum der Brenneranordnung im Bereich der von den Brennstoffdüsen abgewandten Seite des Trägers im Vergleich zum Stand der Technik weniger streng. Insgesamt wird auch das maschinelle Bearbeiten des Trägers vereinfacht.Thus it can be dispensed with a distribution channel in the carrier. As a result, the material thickness of the carrier can be reduced, whereby weight and cost can be saved. In addition, the requirements for the installation space of the burner assembly in the region of the side facing away from the fuel nozzles side of the carrier in comparison to the prior art are less stringent. Overall, the machining of the carrier is simplified.
Das Gaszufuhrzufuhrsystem umfasst zumindest eine Gaszufuhrleitung und dessen Durchführung durch den Träger. Da jedoch die Gaszufuhrleitung im Betrieb durch das durchströmende Gas weitestgehend kalt bleibt und sich der Träger durch die Verdichterluft erwärmt, ergeben sich hierdurch thermische Spannungen, die eine ausreichende Lebensdauer nicht garantieren. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Gaszufuhrleitung an dem Träger stoffschlüssig verbunden, z.B. angeschweißt ist, um beispielsweise eine Abdichtung der Durchführung hervorzurufen. Auch entsteht bei zusätzlicher Befestigung der Brennstoffdüse am Träger durch Schrauben eine Doppelfixierung, die sich ebenfalls lebensdauerverkürzend auswirken.The gas supply supply system comprises at least one gas supply line and its passage through the carrier. However, since the gas supply line remains largely cold during operation by the gas flowing through and the carrier is heated by the compressor air, this results in thermal stresses that do not guarantee a sufficient life. This is especially the case when the gas supply line to the carrier materially connected, e.g. is welded, for example, to cause a seal of the implementation. Also arises with additional attachment of the fuel nozzle to the support by screws a double fixation, which also have a life-shortening effect.
Nun ist die Durchführung anstelle der Verschweißung als Passung ausgeführt. Dies kann insbesondere eine Maß- oder Übergangspassung sein.Now the bushing is designed as a fit instead of the weld. This may in particular be a dimensional or transitional fit.
Als Passung wird dabei eine Verbindung zweier ineinandergreifender Teile bezeichnet, wobei beide Teile das gleiche Nennmaß aufweisen, jedoch Lage und Größe der Toleranzfelder unterschiedlich sein können. Eine Passung gibt immer eine Toleranz an, in der sich die Istmaße von Bohrung und Welle bewegen dürfen.As a fit while a connection of two interlocking parts is referred to, both parts have the same nominal size, but the position and size of the tolerance fields can be different. A fit always indicates a tolerance in which the actual dimensions of bore and shaft are allowed to move.
Es ergibt sich am fertigen Bauteil entweder eine Spielpassung oder eine Übermaßpassung. Sofern die Toleranzen sowohl ein Spiel als auch ein Übermaß erlauben, spricht man von einer Übergangspassung, die je nach den in der Produktion gefertigten Maßen in eine der erstgenannten Gruppen fällt. Die Durchführung der Gaszufuhrleitung durch den Träger wird daher insbesondere als solche Passung ausgeführt und lässt so zusätzlich nur wenig Strömung (Verdichterluft oder auch Gasentweichen) zu. Durch die wegfallende Schweißnaht kann sich der Träger nun thermisch frei dehnen. Die Lebensdauerforderungen können somit erfüllt werden. Zudem ist durch die erfindungsgemäße Passung ein zerstörungsfreies Lösen der Brennstoffdüsen möglich.This results in the finished component either a clearance fit or an oversize. If the tolerances allow both a game and an excess, one speaks of a Transitional fit, which falls into one of the former groups depending on the dimensions produced in the production. The implementation of the gas supply line through the carrier is therefore carried out in particular as such fit and leaves so little additional flow (compressor air or gas escape) to. Due to the omission of the weld, the wearer can now stretch thermally freely. The life requirements can thus be met. In addition, a nondestructive release of the fuel nozzles is possible by the inventive fit.
Ein weiteres Problem der Brennstoffdüse des Stands der Technik stellt die Fixierung der Brennstoffdüsen zu dem Träger dar, denn die Brennerdüsen müssen bei dem Fertigungsprozess senkrecht zu dem Träger angeordnet werden.Another problem of the prior art fuel nozzle is the fixation of the fuel nozzles to the carrier, because the burner nozzles must be arranged perpendicular to the carrier in the manufacturing process.
Erfindungsgemäß können die Brennstoffdüsen nun über die Gaszufuhrleitung zentriert werden, so dass hier kein erhöhter Aufwand mehr erforderlich ist.According to the invention, the fuel nozzles can now be centered on the gas supply line, so that here no increased effort is required.
Bevorzugt ist trägerabseitig zumindest ein Verteilerkanal vorgesehen, welcher die Gaszufuhrleitung mit Gas versorgt. Da die Verteilerkanäle nun trägerabseitig liegen und auch nicht -wie der ursprünglich Verteilerkanal- direkt mit Heißgas in Kontakt stehen, können die Verteilerkanäle jetzt aus kostengünstigerem Material hergestellt werden. Dadurch können wesentlich Kosten gespart werden. Das heißt, dass der Brennstoff bereits vor (in Strömungsrichtung gesehen) dem Träger verteilt wird und nicht nach dem Träger auf die Kanäle aufgeteilt wird.Preferably, at least one distributor channel is provided on the carrier side, which supplies the gas supply line with gas. Since the distribution channels now lie on the downstream side of the carrier and are not directly in contact with hot gas, as was the case originally with the distribution channel, the distribution channels can now be made of less expensive material. This can significantly save costs. That is, the fuel is already distributed to the carrier before (seen in the direction of flow) and is not split after the carrier on the channels.
Bevorzugt ist noch eine weitere Brennstoffzufuhrleitung für Flüssigbrennstoff durch den Träger, insbesondere Ölleitung, vorgesehen, welche die Brennstoffdüse trägerseitig mit flüssigem Brennstoff, insbesondere Öl, versorgt. Somit wird die Brennstoffdüse mit Gas und Öl versorgt.Preferably, a further fuel supply line for liquid fuel through the support, in particular oil line, is provided, which supplies the fuel nozzle on the carrier side with liquid fuel, in particular oil. Thus, the fuel nozzle is supplied with gas and oil.
In bevorzugter Ausgestaltung ist zwischen der trägerseitigen Anlagefläche und dem Träger wenigstens eine Dichtung vorhanden. Bevorzugt ist die Dichtung trägerseitig im Bereich der Passung und Gaszufuhrleitung, also dem Gasrohr angeordnet. Die wenigstens eine Dichtung kann dabei als eine c-Ring-Dichtung ausgestaltet sein. Dabei kann der Träger eine Ausbuchtung ausweisen, in welcher die Dichtung angeordnet ist.In a preferred embodiment, at least one seal is present between the carrier-side contact surface and the carrier. Preferably, the seal is the carrier side in the region of the fit and gas supply line, so arranged the gas pipe. The at least one seal can be designed as a c-ring seal. In this case, the carrier can identify a bulge, in which the seal is arranged.
Durch die Passung und der zusätzlichen Dichtung, insbesondere dem Dichtring, ist Dichtigkeit gegenüber Luftdurchtritt gewährleistet.Due to the fit and the additional seal, in particular the sealing ring, tightness against air passage is ensured.
Bevorzugt weist die trägerseitige Anlagefläche der Brennstoffdüse zumindest eine Öffnung für eine Befestigung der trägerseitigen Anlagefläche an der Auflagefläche des Trägers auf. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Öffnung eine Bohrung und die Befestigung eine Schraubverbindung oder eine Bolzen-Verbindung. Bevorzugt sind in der trägerseitigen Anlagefläche sechs Bohrungen für Schraub- bzw. BolzenVerbindungen vorgesehen, wobei die Bohrungen über der gesamten trägerseitigen Anlagefläche der Brennstoffdüse verteilt sind. Durch das Verteilungsmuster der Bohrungen auf die gesamte Anlagefläche weist die Brennstoffdüse hohe Eigenfrequenzen auf, die schnell gedämpft werden können. Somit ist die Brennstoffdüse gegen Eigenfrequenzen stabil.Preferably, the carrier-side contact surface of the fuel nozzle on at least one opening for attachment of the carrier-side contact surface on the support surface of the carrier. In a preferred embodiment, the opening is a bore and the attachment is a screw or a bolt connection. Preferably, six holes for screw or bolt connections are provided in the carrier-side contact surface, wherein the holes are distributed over the entire carrier-side contact surface of the fuel nozzle. Due to the distribution pattern of the holes on the entire contact surface, the fuel nozzle has high natural frequencies, which can be quickly damped. Thus, the fuel nozzle is stable against natural frequencies.
Die erfindungsgemäße Gasturbine umfasst einem Verdichterabschnitt, einem Verbrennungsabschnitt, einer Brennkammer, einem Brenner, einem Turbinenabschnitt, einem Rotor und einen solchen Brenneranordnung. Dadurch ist die Gasturbine besonders leicht ausgeführt.The gas turbine according to the invention comprises a compressor section, a combustion section, a combustion chamber, a burner, a turbine section, a rotor and such a burner arrangement. As a result, the gas turbine is particularly easy.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
- Figur 1
- zeigt eine Gasturbine in einer stark schematisierten Darstellung.
Figur 2- zeigt eine Gasturbinenbrenneranordnung nach dem Stand der Technik in einer perspektivischen Darstellung.
- Figur 3
- zeigt eine erfindungsgemäße Brenneranordnung von vorne.
- Figur 4
- zeigt einen Querschnitt durch einen Teil der erfindungsgemäßen Brenneranordnung.
- FIG. 1
- shows a gas turbine in a highly schematic representation.
- FIG. 2
- shows a gas turbine burner assembly of the prior art in a perspective view.
- FIG. 3
- shows a burner assembly according to the invention from the front.
- FIG. 4
- shows a cross section through a part of the burner assembly according to the invention.
Nachfolgend wird anhand von
Im Betrieb der Gasturbine 1 wird Luft durch einen Lufteinlass 21 in den Verdichterabschnitt 3 eingesaugt. Dort wird die Luft durch die rotierenden Verdichterlaufschaufeln 11 komprimiert und zu den Brennern 6 im Verbrennungsabschnitt 4 geleitet. In den Brennern 6 wird die Luft mit einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff gemischt und die Mischung in den Brennkammern 5 verbrannt. Die unter hohem Druck stehenden heißen Verbrennungsabgase werden dann als Arbeitsmedium dem Turbinenabschnitt 7 zugeführt. Auf ihrem Weg durch den Turbinenabschnitt übertragen die Verbrennungsabgase einen Impuls auf die Turbinenlaufschaufeln 13, wobei sie entspannen und abkühlen. Schließlich verlassen die entspannten und abgekühlten Verbrennungsabgase den Turbinenabschnitt 7 durch einen Auspuff 23. Der übertragene Impuls führt zu einer Rotationsbewegung des Rotors, die den Verdichter und einen Verbraucher, beispielsweise einen Generator zum Erzeugen elektrischen Stroms oder eine Arbeitsmaschine antreibt. Die Kränze von Turbinenleitschaufeln 17 dienen dabei als Düsen zum Leiten des Arbeitsmediums, um den Impulsübertrag auf die Turbinenlaufschaufeln 13 zu optimieren.During operation of the gas turbine 1, air is sucked through an
Obwohl der in
Beim Verbrennungsprozess wird Luft aus dem Verdichter durch die Drallerzeuger 31 geleitet, wo sie mit Brennstoff gemischt wird. Anschließend wird das Luft-Brennstoff-Gemisch dann in der Verbrennungszone der Brennkammer 5 verbrannt, um das Arbeitsmedium zu bilden.During the combustion process, air from the compressor is passed through the
Der Träger 27 hat die Aufgabe den Brennstoff auf die Brennstoffdüsen 29 zu verteilen. Er ist dazu im inneren mit Brennstoffkanälen versehen, wovon jeder eine Anzahl von Düsen 29 mit Brennstoff versorgt. An dem Träger 27 sind 2 Anschlüsse für Brennstoffzufuhrleitungen vorhanden, die den Brennstoff zu dem Träger 27 leiten, in welchem er anschließend auf die Brennstoffdüsen 29 verteilt wird. Dabei kann es sich auch um unterschiedliche Brennstoffarten handeln. Die Brennstoffdüsen 29 weisen dazu mindestens eine Brennstofföffnung auf, an welcher der Brennstoff austreten kann.The
Bei den heute bekannten Brenneranordnungen (
Dies wird Mithilfe der Erfindung somit vermieden (
Die Brennstoffdüse 40 weist ein sich durch den Träger 37 erstreckenden Gaszufuhrzufuhrsystem 120 auf, welches Gas zu den Brennstoffdüsenspitzen 47a,47b transportiert.The
Dabei umfasst das Gaszufuhrzufuhrsystem 120 zumindest eine Gaszufuhrleitung 70, zumeint in Form eines Gasrohres 70 auf und dessen Durchführung durch den Träger 37. Dabei kann die Durchführung eine Bohrung sein.In this case, the gas
Dabei ist die Durchführung, insbesondere die Bohrung, als Passung 75 ausgeführt.In this case, the implementation, in particular the bore, designed as a fit 75.
Die Durchführung des Gasrohrs 70 wird daher erfindungsgemäß als Passung 75 ausgeführt und lässt somit wenig Strömung, z.B. Verdichterlufteintritt oder Gasaustritt zu. Dies ist insbesondere eine Maß- oder Übergangspassung. Durch die Passung kann sich somit der Träger 37 im Betrieb frei dehnen. Thermische Spannungen fallen somit weg oder werden stark reduziert, so dass sich eine Erhöhung der Lebensdauer ergibt. Erfindungsgemäß bleibt im Betrieb das Gasrohr 70 weitestgehend kalt, während der Träger 37 sich jedoch erwärmt. Dabei dehnt sich der Träger 37 aus. Wird das Gasrohr 70 wie im Stand der Technik zwecks der Abdichtung mit dem Träger 37 verschweißt, so können durch die thermischen Dehnungen hohe Spannungen im Schweißbereich entstehen. Bei einer Verschweißung werden somit die Lebensdaueranforderungen durch die unterschiedliche Ausdehnung des Trägers 37 und des Gasrohrs 70 nicht erfüllt. Wird zusätzlich die Brennstoffdüse 40 noch mit dem Träger 37 verschraubt, so ist die Befestigung der Brennstoffdüse 40 am Träger 37 durch die Verschweißung und die Verschraubung überbestimmt, was sich ebenfalls negativ auf die Lebensdauer auswirkt.The passage of the
Um zu verhindern, dass die Passung 75 für das Gasrohr 70 ungewollte Passagen für Gas- oder Verdichterluft der Turbine bilden, ist am trägerseitigen 100 Ende der Passung 75 vorzugsweise wenigstens eine Dichtung 80 vorhanden, insbesondere im Bereich der der Passung 75 und dem Gasrohr 70. Dabei kann der Träger 37 eine Ausbuchtung ausweisen, in welcher die Dichtung 80 angeordnet ist. Eine solche Dichtung 80 kann insbesondere als c-Ring-Dichtung ausgestaltet sein. Diese sind aufgrund ihrer Rückfederungseigenschaften besonders gut als Dichtungen geeignet. Grundsätzlich sind aber auch andere federelastische Dichtungen wie etwa o-Ring-Dichtungen möglich. Auf Grund der Elastizität der Dichtung können übermäßige Beschränkungen von Relativbewegungen, die beispielsweise aufgrund der betriebsbedingten Erwärmung der Bauteile auftreten könnten, vermieden werden.In order to prevent the fit 75 for the
Ein weiteres Problem der Brennstoffdüse des Stands der Technik stellt die Fertigung der Brennstoffdüsen 40 zu dem Träger 37 dar, denn die Brennstoffdüsen 40 müssen bei dem Fertigungsprozess senkrecht zu dem Träger 37 angeordnet werden. Diese Fertigung ist zudem sehr langwierig und mit erhöhten Aufwand und dadurch Kosten verbunden.Another problem of the prior art fuel nozzle is the manufacture of the
Mit der Erfindung lässt sich somit jedoch leicht eine Zentrierung, insbesondere durch die Passung 75, der Brennstoffdüse 40 über das Gasrohr 70 vornehmen, so dass hier nun kein erhöhter Aufwand mehr erforderlich ist.With the invention, however, can thus easily centering, in particular by the fit 75, make the
Im Träger 37 können weitere Durchgangslöcher (nicht separat gezeigt) angeordnet sein, durch welche zusätzlich zumindest ein Ölkanal durch den Träger 37 hindurch geführt wird.In the
Trägerabseitig 101 ist zumindest ein Verteilerkanal (nicht gezeigt), jedoch zumeist zwei Verteilerkanäle jeweils für Öl und Gas, vorgesehen, welche das Gaszufuhrrohr 70 und den zumindest einen Ölkanal jeweils bereits trägerabseitig 101 mit dem entsprechenden Brennstoff versorgen. Da die Verteilerkanäle nicht direkt mit dem Heißgas in der Brennkammer in Berührung kommen, können diese aus einem kostengünstigen Material gefertigt werden.
Außerdem sind die Anforderungen an den Einbauraum der Brenneranordnung im Bereich der von den Brennstoffdüsen 40 abgewandten Seite des Trägers im Vergleich zum Stand der Technik weniger streng. Insgesamt wird auch das maschinelle Bearbeiten des Trägers vereinfacht.In addition, the requirements on the installation space of the burner assembly in the region of the side facing away from the
Die trägerseitige Anlagefläche 60 weist zur Befestigung der Brennstoffdüsen 40 am Träger Bohrungen auf. Der Träger 37 weist dazu korrespondierende Öffnungen oder Bohrungen auf. Durch diese Bohrungen kann mittels einer Schraubverbindung oder einer Bolzen-Verbindung die Brennstoffdüse 40 am Träger 37 befestigt werden. Dabei sind die Bohrungen über der gesamten trägerseitigen Anlagefläche 60 verteilt. Durch diese Verteilung der Bohrungen weist die Brennstoffdüse 40 hohe Eigenfrequenzen auf, die schnell gedämpft werden können. Somit ist die Brennstoffdüse 40 gegen Eigenfrequenzen stabil. Die Schraub- bzw. Bolzen-Verbindung befestigt die Brennstoffdüse 40 am Träger 37 und übernimmt so einen großen Teil der Druckbelastungen bei Betrieb.The carrier-
Die Bohrungen in der trägerseitigen Anlagefläche 60, als auch die dazu korrespondierenden Löcher/ Bohrungen im Träger 37 können mit großen Messtoleranzen versehen sein, so dass eine schnelle und einfache Fertigung möglich ist.The holes in the carrier-
Aufgrund der erfindungsgemäßen Brenneranordnung ist es möglich die Lebensdauer der Brenneranordnung wesentlich zu erhöhen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die nun möglichen freien thermischen Verformungen keine behindernden Wärmespannungen mehr aufbauen. Die Brennstoffdüse 40 kann über das Gasrohr 70 leicht zentriert werden.Due to the burner assembly according to the invention, it is possible to significantly increase the life of the burner assembly. This is due to the fact that the now possible free thermal deformations no longer build up disabling thermal stresses. The
Durch die c-Ring-Dichtung lassen sich unerwünschte Leckagen vermeiden; ein unkontrollierter Gas- und/oder Verdichterluft aus- bzw. eintritt lässt sich somit vermeiden.The c-ring seal prevents unwanted leaks; An uncontrolled gas and / or compressor air entering or exiting can thus be avoided.
Mit der erfindungsgemäßen Brenneranordnung lassen sich nun die einzelnen Brennstoffdüsen 40 leicht und zerstörungsfrei vom Träger lösen, wodurch gerade die Montage/Demontage verbessert wird. Dies ist von enormen Vorteil; gerade bei Überprüfung bereits gefertigter und in betrieb genommener Anlagen.With the burner arrangement according to the invention, the
Aufgrund der erfindungsgemäßen Brenneranordnung ist es möglich die Kosten wesentlich zu senken. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Brennstoffverteiler 37 nun eine wesentlich geringe Dicke als der Brennstoffverteiler 27 im Stand der Technik hat. Alle Bohrungen bzw. Öffnungen können schnell und leicht gefertigt werden, da keine besonders genauen Messtoleranzen gefordert und eingehalten werden müssen.Due to the burner assembly according to the invention, it is possible to significantly reduce costs. This is due to the fact that the
Claims (10)
wobei die Durchführung als Passung (75) ausgeführt ist.
wherein the passage is designed as a fit (75).
dadurch gekennzeichnet, dass trägerabseitig (101) zumindest ein Verteilerkanal vorgesehen ist, welcher die Gaszufuhrleitung (70) mit Gas versorgt.Burner arrangement according to claim 1,
characterized in that the carrier downstream (101) at least one distribution channel is provided, which supplies the gas supply line (70) with gas.
dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Brennstoffzufuhrleitung für Flüssigbrennstoff durch den Träger (37), insbesondere Ölleitung, vorgesehen ist, welche die Brennstoffdüse trägerseitig (100) mit flüssigem Brennstoff, insbesondere Öl, versorgt.Burner arrangement according to one of the preceding claims,
characterized in that a further fuel supply line for liquid fuel through the support (37), in particular oil line, is provided, which supplies the fuel nozzle carrier side (100) with liquid fuel, in particular oil.
dadurch gekennzeichnet, das zwischen der trägerseitiger Anlagefläche (60) der Brennstoffdüse (40) und dem Träger (37) wenigstens eine Dichtung vorhanden ist.Burner arrangement according to one of the preceding claims,
characterized in that between the carrier-side contact surface (60) of the fuel nozzle (40) and the carrier (37) at least one seal is present.
dadurch gekennzeichnet, das die Dichtung (80) trägerseitig (100) im Bereich der Passung (75) und Gaszufuhrleitung (70) angeordnet ist.Burner arrangement according to Claim 4,
characterized in that the seal (80) carrier side (100) in the region of the fitting (75) and gas supply line (70) is arranged.
dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Dichtung (80) eine c-Ring-Dichtung ist.Burner arrangement according to Claim 4 or 5,
characterized in that the at least one seal (80) is a c-ring seal.
dadurch gekennzeichnet, dass die trägerseitige Anlagefläche (60) zumindest eine Öffnung für eine Befestigung der trägerseitigen Anlagefläche (60) an der Auflagefläche (55) des Trägers (37) aufweist.Burner arrangement according to one of the preceding claims,
characterized in that the carrier-side contact surface (60) has at least one opening for attachment of the carrier-side contact surface (60) on the support surface (55) of the carrier (37).
dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung eine Bohrung ist und die Befestigung eine Schraubverbindung oder eine Bolzen-Verbindung ist.Burner arrangement according to claim 7,
characterized in that the opening is a bore and the attachment is a screw connection or a bolt connection.
dadurch gekennzeichnet, dass in der trägerseitige Anlagefläche (60) sechs Bohrungen vorgesehen sind, wobei die Bohrungen über der gesamten trägerseitigen Anlagefläche (60) verteilt sind.Burner assembly according to claim 8,
characterized in that six holes are provided in the carrier-side contact surface (60), wherein the holes over the entire carrier-side contact surface (60) are distributed.
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