EP2397763A1 - Fuel nozzle, burner and gas turbine - Google Patents

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EP2397763A1
EP2397763A1 EP10166355A EP10166355A EP2397763A1 EP 2397763 A1 EP2397763 A1 EP 2397763A1 EP 10166355 A EP10166355 A EP 10166355A EP 10166355 A EP10166355 A EP 10166355A EP 2397763 A1 EP2397763 A1 EP 2397763A1
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EP
European Patent Office
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fuel nozzle
fuel
fit
bellow
nozzle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10166355A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Olga Deiss
Christopher Grandt
Thomas Grieb
Birgit Grüger
Jens Kleinfeld
Tobias Krieger
Georg Rollmann
Adam Zimmermann
Kagan Özkan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP10166355A priority Critical patent/EP2397763A1/en
Publication of EP2397763A1 publication Critical patent/EP2397763A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/283—Attaching or cooling of fuel injecting means including supports for fuel injectors, stems, or lances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/38—Nozzles; Cleaning devices therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2211/00—Thermal dilatation prevention or compensation
    • 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
    • F23R2900/00001—Arrangements using bellows, e.g. to adjust volumes or reduce thermal stresses
    • 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
    • F23R2900/00012—Details of sealing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00017—Assembling combustion chamber liners or subparts

Definitions

  • the present invention relates to a fuel nozzle with the fuel nozzle attached to a fuel distributor ring, wherein compressor air or a compressor air-fuel mixture is passed through the fuel nozzle and thus an air flow is formed, wherein in air flow through the fuel nozzle leads a conduit for guiding a fuel fluid.
  • the invention further relates to a burner with such a fuel nozzle and a gas turbine.
  • Such fuel nozzles are used, for example, in burners that can be operated both with liquid fuel, as well as with gaseous fuel.
  • the line for operation with liquid fuels such as oil
  • the oil flows through the oil line and exits at its tip through oil line nozzles in a combustion chamber. After exiting the nozzle, the oil in the combustion chamber, in which compressor air is introduced, burned.
  • gaseous fuels are often injected into an air supply duct surrounding the oil duct and mixed there with compressor air before the mixture is introduced into the combustion chamber.
  • the fuel nozzle which ultimately consists of the outer skin may be further components which are firmly clamped or clamped with the nozzle or otherwise secured; However, these are not components of the fuel nozzle itself.
  • the oil line is one such component.
  • the line was designed to guide a fuel fluid in the form of a helix.
  • the helix has three windings, which, like a spiral spring, compensates for thermal expansion or compression. Thus, occurring thermal stresses are reduced to a sustainable, but still too high level.
  • the object of the present invention is therefore to provide a fuel nozzle for use in a burner, in particular in a gas turbine burner, which helps to overcome the disadvantages mentioned. Further objects of the invention are to provide an advantageous burner and a gas turbine.
  • the fuel nozzle is attached to a fuel distributor ring. Compressor air or a compressor air-fuel mixture is guided through the fuel nozzle and thus an air flow is formed. In this case, as seen in the air flow through the fuel nozzle, a conduit for guiding a fuel fluid.
  • the fuel nozzle is therefore designed according to the invention by a fit in two parts in two fuel nozzle halves, said fuel nozzle halves are connected by the fit.
  • the fit comprises an axial guide in air flow and thus allows shifts due to thermal Extensions arise.
  • occurring thermal stresses can be significantly reduced.
  • the life of the fuel nozzle and the oil line is thus increased.
  • the occurring thermal stresses are lowered to a much lower level.
  • the line is characterized by less mass. Also, the simpler production costs and saves time.
  • the conduit for guiding a fuel fluid is an oil conduit. This serves to supply an oil burner nozzle.
  • the fit is a transition fit.
  • the transition fit can arise when joining the two parts of a game or an excess, depending on the actual size of the two parts to be joined.
  • the fit can be a clearance fit. The clearance always involves a game between the parts.
  • the fit is designed as a sliding seat. This is particularly well suited to reduce by the displacement of the two halves of the fuel nozzle thermal stresses.
  • the fuel nozzle on a bellow In a preferred embodiment, the fuel nozzle on a bellow.
  • the Bellow can be mounted on the inside of the fuel nozzle, and at least covers the fit. Bellow can be described as a spring element. These bellows are made of a heat-resistant metal or a heat-resistant metal alloy and have elastic properties. The Bellow attached here serves as a seal. Moving the two fuel nozzle halves due to thermal stresses in the axial, opposite Direction, the Bellow is simply stretched. This ensures the sealing function.
  • the bellow is mounted on the outside of the fuel nozzle. This bellow also covers at least the fit.
  • the bellow thus attached can then be arranged under a protective jacket.
  • This may consist of a heat-resistant metal or a metal alloy.
  • the protective jacket is designed to optimize flow in this arrangement.
  • An inventive burner which may be in particular a gas turbine burner, is equipped with a fuel nozzle according to the invention.
  • a gas turbine with a compressor and a turbine comprises such a burner.
  • FIG. 1 shows a gas turbine 1 in a longitudinal section.
  • This comprises a compressor section 3, a combustion chamber section 5 and a turbine section 7 and a burner 16, the in Fig. 2 is described in more detail, wherein the burner 16 has a fuel nozzle 29, which in Fig. 3 is described.
  • a shaft extends through all sections of the gas turbine 1.
  • the shaft 9 is provided with rings of compressor blades 11 and in the turbine section 7 with rings of turbine blades 13.
  • Wreaths of compressor vanes 15 are located in the compressor section 3 between the rotor blade rings and rings of turbine vanes 17 in the turbine section 7.
  • the vanes extend from the housing 19 of the gas turbine installation 1 essentially in the radial direction to the shaft.
  • air is sucked in through an air inlet 21 of the compressor section 3 and compressed by the compressor blades 11.
  • the compressed air is supplied in the combustion chamber section 5 arranged combustion chambers 25, in which also a gaseous or liquid fuel, for example oil or gas is injected via at least one burner 16.
  • the resulting air-fuel mixture is ignited and burned in the combustion chambers 25.
  • the hot combustion exhaust gases flow from the combustor 25 into the turbine section 7, where they expand and cool.
  • FIG. 2 shows a burner 16 in a perspective view.
  • the burner 16 comprises a fuel distributor ring 30, eight fuel nozzles 29 extending from the fuel distributor ring 30 and eight swirlers 31 arranged in the region of the tips of the fuel nozzles 29.
  • the fuel distributor ring 30 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 30.
  • the burner can be connected to fuel supply lines.
  • a flange 35 can be the Fix burner 16 to a tube combustion chamber 25 so that the fuel nozzles 29 face towards the interior of the combustion chamber.
  • air or an air-fuel mixture from the compressor is passed through the fuel nozzles 29 and the swirl generators 31, where it is mixed with fuel.
  • an air flow direction L is also formed in the fuel nozzle.
  • the air-fuel mixture is then burned in the combustion zone of a combustion chamber 25 to form the working medium.
  • the fuel nozzles 29 and the fuel distributor ring 30 are heated.
  • Fig. 3 shows a fuel nozzle 29 in cross section.
  • the fuel nozzle 29 is supplied with oil.
  • the fuel nozzle 29 has, inter alia, an oil fuel nozzle with an oil line 100.
  • To supply the fuel nozzle 29 with oil it is necessary to pass cold oil through the oil pipe 100. Due to the different temperature between the oil line 100 and the fuel nozzle 29, there are different thermal expansions. The result is high thermal stresses that significantly limit the life of the fuel nozzle and the oil line 100.
  • the oil line 100 is designed in the form of a helix. The helix has three turns, which, like a spiral spring, compensates for thermal expansion or compression. The occurring thermal stresses are still too high.
  • the production of the helix is demanding and can be the cause of errors that lead to failure.
  • the helix is an additional mass that reduces the natural frequency of the oil line 100.
  • critical frequencies can occur, which lead to failure during operation.
  • the pressure loss, due to the shape and length of the helix, is not insignificant.
  • the fuel nozzle 29 is now made in two parts by means of a fit in two fuel nozzle halves, wherein the fuel nozzle halves connected by means of this fit are.
  • This fit can be a transitional fit or a clearance fit.
  • this fit is preferably designed as a sliding seat 110.
  • the sliding seat 110 has an axial guide in the air flow direction L.
  • the sliding seat 110 allows displacements 130, which arise as a result of thermal expansion. As a result, occurring thermal stresses can be significantly reduced. The life of the fuel nozzle and the oil line is thus increased.
  • Bellow 200 protective bellows
  • Bellows 200 are, so to speak, elastic spring bodies, which can expand in compression / tension or displacement 130, and then return almost without pressure / tension to the original state.
  • the Bellows 200 are made of heat-resistant material, preferably metal or metal alloy.
  • the fuel nozzle 29 has an inner side 150, which is located in the interior of the fuel nozzle 29, and an outer side 170, which is not located in the interior of the fuel nozzle 29.
  • the bellow 200 may be mounted on the inside 150 of the fuel nozzle 29.
  • the Bellow 200 also covers the sliding seat 110. If one part of the fuel nozzle 29 now shifts in an axial direction due to thermal stresses, then the Bellow 200 is merely stretched due to its elastic property, thus sealing the fuel nozzle 29 further.
  • the bellow 200 may also be mounted on the outside 170 of the fuel nozzle 29. If the bellow 200 is mounted on the outside 170 of the fuel nozzle 29, it can be arranged under a protective jacket 220 ( Figure 4 ). This can protect the Bellow 200 from heat.
  • the protective jacket 220 can be designed to be flow-optimized, so that no turbulence is generated in the outer flows.
  • the thermal stresses can be significantly reduced.
  • the life of the fuel nozzle and the oil line, but also the other firmly clamped or fastened with the fuel nozzle components is increased. Also, therefore, the oil pipe 100 can be performed without turns (not shown).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

The fuel nozzle (29) is attached to a fuel distributor ring (30), where compressed air or compressed air-fuel mixture is guided through the fuel nozzle. The fuel nozzle is executed by two sections in two fuel nozzle halves. The fuel nozzle halves are connected by a fitting. A line is designed for guiding a fuel fluid in an oil pipeline (100). An enclosure is provided, which is designed in an aerodynamically optimized manner, and is made of metal or metal alloy. An independent claim is also included for a gas turbine with a compressor and a turbine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffdüse wobei die Brennstoffdüse an einem Brennstoffverteilerring befestigt ist, wobei durch die Brennstoffdüse Verdichterluft oder ein Verdichterluft-Brennstoffgemisch geführt wird und somit eine Luftströmung ausgebildet wird, wobei in Luftströmung gesehen durch die Brennstoffdüse eine Leitung zur Führung eines Brennstofffluids führt. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen Brenner mit einer solchen Brennstoffdüse und eine Gasturbine.The present invention relates to a fuel nozzle with the fuel nozzle attached to a fuel distributor ring, wherein compressor air or a compressor air-fuel mixture is passed through the fuel nozzle and thus an air flow is formed, wherein in air flow through the fuel nozzle leads a conduit for guiding a fuel fluid. The invention further relates to a burner with such a fuel nozzle and a gas turbine.

Derartige Brennstoffdüsen kommen beispielsweise bei Brennern zum Einsatz, die sowohl mit flüssigem Brennstoff, als auch mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden können. In der Regel ist die Leitung zum Betrieb mit flüssigen Brennstoffen, beispielsweise Öl, vorgesehen. Das Öl strömt dabei durch die Ölleitung und tritt an ihrer Spitze durch Ölleitungsdüsen in eine Brennkammer aus. Nach dem Austritt aus der Düse wird das Öl in der Brennkammer, in die auch Verdichterluft eingebracht wird, verbrannt. Gasförmige Brennstoffe werden dagegen häufig in einen dem Ölkanal umgebenden Luftzufuhrkanal eingedüst und dort mit Verdichterluft gemischt, bevor das Gemisch in die Brennkammer eingebracht wird.Such fuel nozzles are used, for example, in burners that can be operated both with liquid fuel, as well as with gaseous fuel. In general, the line for operation with liquid fuels, such as oil, is provided. The oil flows through the oil line and exits at its tip through oil line nozzles in a combustion chamber. After exiting the nozzle, the oil in the combustion chamber, in which compressor air is introduced, burned. In contrast, gaseous fuels are often injected into an air supply duct surrounding the oil duct and mixed there with compressor air before the mixture is introduced into the combustion chamber.

In der Brennstoffdüse, die letztendlich aus der Außenhaut besteht können weitere Bauteile sein, welche mit der Düse fest verspannt bzw. eingespannt oder anderweitig befestigt sind; diese sind jedoch keine Bestandteile der Brennstoffdüse selbst. Insbesondere zählt auch die Ölleitung zu einem solchen Bauteil.In the fuel nozzle, which ultimately consists of the outer skin may be further components which are firmly clamped or clamped with the nozzle or otherwise secured; However, these are not components of the fuel nozzle itself. In particular, the oil line is one such component.

Zur Versorgung der Brennstoffdüse, dass heißt der Ölleitungsdüsen des Brenners mit Brennstoff ist es erforderlich kaltes Öl durch die heiße Struktur des Brenners zu leiten. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen zwischen Brennstoffdüse und Ölleitung kommt es zu unterschiedlichen Wärmedehnungen der Brennstoffdüse und der Ölleitung. Die Folge sind hohe Wärmespannungen, die wesentlich die Lebensdauer der Brennstoffdüse und der Ölleitung begrenzen.To supply the fuel nozzle, that is the oil line nozzles of a burner with fuel it is necessary to pass cold oil through the hot structure of a burner. Due to the different temperatures between the fuel nozzle and oil line there are different thermal expansions of the fuel nozzle and the oil line. The result is high thermal stresses, which significantly limit the life of the fuel nozzle and the oil line.

Bisher wurde daher die Leitung zur Führung eines Brennstofffluids in Form einer Wendel ausgeführt. Die Wendel hat drei Windungen, die wie eine Spiralfeder, die thermischen Dehnungen bzw. Stauchungen, kompensiert. Damit werden auftretenden Wärmespannungen auf ein ertragbares, aber dennoch zu hohes Niveau gesenkt.So far, therefore, the line was designed to guide a fuel fluid in the form of a helix. The helix has three windings, which, like a spiral spring, compensates for thermal expansion or compression. Thus, occurring thermal stresses are reduced to a sustainable, but still too high level.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Brennstoffdüse für die Verwendung in einem Brenner, insbesondere in einem Gasturbinenbrenner, zur Verfügung zu stellen, welche die genannten Nachteile zu überwinden hilft. Weitere Aufgaben der Erfindung sind es, einen vorteilhaften Brenner sowie eine Gasturbine zur Verfügung zu stellen.The object of the present invention is therefore to provide a fuel nozzle for use in a burner, in particular in a gas turbine burner, which helps to overcome the disadvantages mentioned. Further objects of the invention are to provide an advantageous burner and a gas turbine.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffdüse nach Anspruch 1 gelöst. Die auf Brenner bezogene Aufgabe wird durch die Angabe eines Brenners nach Anspruch 14 gelöst. Die auf die Gasturbine bezogene Aufgabe wird durch die Angabe einer Gasturbine nach Anspruch 15 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved by a fuel nozzle according to claim 1. The burner-related object is achieved by the disclosure of a burner according to claim 14. The object related to the gas turbine is solved by specifying a gas turbine according to claim 15. The dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.

Die Brennstoffdüse ist dabei an einem Brennstoffverteilerring befestigt. Durch die Brennstoffdüse wird Verdichterluft oder ein Verdichterluft-Brennstoffgemisch geführt und somit eine Luftströmung ausgebildet. Dabei führt in Luftströmung gesehen durch die Brennstoffdüse eine Leitung zur Führung eines Brennstofffluids.The fuel nozzle is attached to a fuel distributor ring. Compressor air or a compressor air-fuel mixture is guided through the fuel nozzle and thus an air flow is formed. In this case, as seen in the air flow through the fuel nozzle, a conduit for guiding a fuel fluid.

Die Brennstoffdüse ist daher erfindungsgemäß durch eine Passung zweiteilig in zwei Brennstoffdüsenhälften ausgeführt, wobei diese Brennstoffdüsenhälften durch die Passung verbunden sind. Die Passung umfasst eine axiale Führung in Luftströmung und ermöglicht so Verschiebungen, die infolge thermischer Ausdehnungen entstehen. Dadurch lassen sich auftretende thermische Spannungen wesentlich reduzieren. Die Lebensdauer der Brennstoffdüse und der Ölleitung wird somit erhöht. Auch werden somit die auftretenden Wärmespannungen auf ein deutlich niedrigeres Niveau abgesenkt. Es ist zudem möglich, die Leitung zur Führung eines Brennstofffluids in einer anderen weniger anspruchsvollen Geometrie zu fertigen, z.B. geradlinig oder mit weniger Windungen. Dadurch wird der Druckverlust gesenkt; zudem zeichnet sich die Leitung durch weniger Masse aus. Auch werden durch die einfachere Herstellung Kosten und Zeit gespart.The fuel nozzle is therefore designed according to the invention by a fit in two parts in two fuel nozzle halves, said fuel nozzle halves are connected by the fit. The fit comprises an axial guide in air flow and thus allows shifts due to thermal Extensions arise. As a result, occurring thermal stresses can be significantly reduced. The life of the fuel nozzle and the oil line is thus increased. Also, thus the occurring thermal stresses are lowered to a much lower level. It is also possible to fabricate the conduit for guiding a fuel fluid in another less demanding geometry, eg straight or with fewer turns. This reduces the pressure loss; In addition, the line is characterized by less mass. Also, the simpler production costs and saves time.

Bevorzugt ist die Leitung zur Führung eines Brennstofffluids eine Ölleitung. Diese dient zur Versorgung einer Ölbrennerdüse.Preferably, the conduit for guiding a fuel fluid is an oil conduit. This serves to supply an oil burner nozzle.

Bevorzugt ist die Passung eine Übergangspassung. Bei der Übergangspassung kann beim Fügen der beiden Teile ein Spiel oder ein Übermaß entstehen, je nach Istmaß der beiden zu fügenden Teile. Auch kann die Passung eine Spielpassung sein. Bei der Spielpassung tritt stets ein Spiel zwischen den Teilen auf.Preferably, the fit is a transition fit. In the transition fit can arise when joining the two parts of a game or an excess, depending on the actual size of the two parts to be joined. Also, the fit can be a clearance fit. The clearance always involves a game between the parts.

Bevorzugt ist die Passung als Schiebesitz ausgeführt. Diese eignet sich besonders gut, um durch die Verschiebung der beiden Hälften der Brennstoffdüse thermische Spannungen zu reduzieren.Preferably, the fit is designed as a sliding seat. This is particularly well suited to reduce by the displacement of the two halves of the fuel nozzle thermal stresses.

In bevorzugter Ausgestaltung weist die Brennstoffdüse ein Bellow auf. Das Bellow kann dabei auf der Innenseite der Brennstoffdüse angebracht sein, und überdeckt zumindest die Passung. Als Bellow kann man ein Federelement bezeichnen. Diese Bellows sind aus einem hitzbeständigen Metall oder einer hitzbeständigen Metalllegierung und weisen elastische Eigenschaften auf. Das hier angebrachte Bellow dient zur Abdichtung. Verschieben sich die beiden Brennstoffdüsenhälften aufgrund thermischer Spannungen in axialer, entgegengesetzter Richtung, so wird das Bellow einfach mitgedehnt. Dadurch wird die Abdichtungsfunktion gewährleistet.In a preferred embodiment, the fuel nozzle on a bellow. The Bellow can be mounted on the inside of the fuel nozzle, and at least covers the fit. Bellow can be described as a spring element. These bellows are made of a heat-resistant metal or a heat-resistant metal alloy and have elastic properties. The Bellow attached here serves as a seal. Moving the two fuel nozzle halves due to thermal stresses in the axial, opposite Direction, the Bellow is simply stretched. This ensures the sealing function.

Alternativ ist das Bellow auf der Außenseite der Brennstoffdüse angebracht. Dabei überdeckt auch dieses Bellow zumindest die Passung. Das so angebrachte Bellow kann dann unter einem Schutzmantel angeordnet sein. Dieser kann aus einem hitzebeständigen Metall oder einer Metalllegierung bestehen. Vorteilhafterweise ist bei dieser Anordnung der Schutzmantel strömungsoptimiert ausgeführt.Alternatively, the bellow is mounted on the outside of the fuel nozzle. This bellow also covers at least the fit. The bellow thus attached can then be arranged under a protective jacket. This may consist of a heat-resistant metal or a metal alloy. Advantageously, the protective jacket is designed to optimize flow in this arrangement.

Ein erfindungsgemäßer Brenner, der insbesondere ein Gasturbinenbrenner sein kann, ist mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffdüse ausgestattet.An inventive burner, which may be in particular a gas turbine burner, is equipped with a fuel nozzle according to the invention.

Vorteilhafterweise umfasst eine Gasturbine mit einem Verdichter und einer Turbine einen solchen Brenner.Advantageously, a gas turbine with a compressor and a turbine comprises such a burner.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

Fig. 1
zeigt eine erfindungsgemäße Gasturbine in einem Längsteilschnitt,
Fig. 2
zeigt eine erfindungsgemäße Gasturbinenbrenneranordnung in einer perspektivischen Darstellung,
Fig. 3
zeigt eine Brennstoffdüse im Querschnitt mit Bellow,
Fig. 4
zeigt eine Brennstoffdüse im Querschnitt mit Bellow und Schutzmantel,
Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures.
Fig. 1
shows a gas turbine according to the invention in a longitudinal partial section,
Fig. 2
shows a gas turbine burner arrangement according to the invention in a perspective view,
Fig. 3
shows a fuel nozzle in cross-section with Bellow,
Fig. 4
shows a fuel nozzle in cross section with Bellow and protective jacket,

Figur 1 zeigt eine Gasturbine 1 in einem Längsschnitt. Diese umfasst einen Verdichterabschnitt 3, einen Brennkammerabschnitt 5 und einen Turbinenabschnitt 7 und einen Brenner 16, der in Fig. 2 näher beschrieben ist, wobei der Brenner 16 eine Brennstoffdüse 29 aufweist, welche in Fig. 3 beschrieben ist. Eine Welle erstreckt sich durch alle Abschnitte der Gasturbine 1. Im Verdichterabschnitt 3 ist die Welle 9 mit Kränzen von Verdichterlaufschaufeln 11 und im Turbinenabschnitt 7 mit Kränzen von Turbinenlaufschaufeln 13 ausgestattet. Zwischen den Laufschaufelkränzen befinden sich im Verdichterabschnitt 3 Kränze von Verdichterleitschaufeln 15 und im Turbinenabschnitt 7 Kränze von Turbinenleitschaufeln 17. Die Leitschaufeln erstrecken sich vom Gehäuse 19 der Gasturbinenanlage 1 im Wesentlichen in Radialrichtung zur Welle. FIG. 1 shows a gas turbine 1 in a longitudinal section. This comprises a compressor section 3, a combustion chamber section 5 and a turbine section 7 and a burner 16, the in Fig. 2 is described in more detail, wherein the burner 16 has a fuel nozzle 29, which in Fig. 3 is described. A shaft extends through all sections of the gas turbine 1. In the compressor section 3, the shaft 9 is provided with rings of compressor blades 11 and in the turbine section 7 with rings of turbine blades 13. Wreaths of compressor vanes 15 are located in the compressor section 3 between the rotor blade rings and rings of turbine vanes 17 in the turbine section 7. The vanes extend from the housing 19 of the gas turbine installation 1 essentially in the radial direction to the shaft.

Im Betrieb der Gasturbine 1 wird Luft durch einen Lufteinlass 21 des Verdichterabschnittes 3 eingesaugt und von den Verdichterlaufschaufeln 11 komprimiert. Die komprimierte Luft wird im Brennkammerabschnitt 5 angeordneten Brennkammern 25 zugeleitet, in die auch ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff, beispielsweise Öl oder Gas über wenigstens einen Brenner 16 eingedüst wird. Das dadurch entstehende Luft-Brennstoff-Gemisch wird gezündet und in den Brennkammern 25 verbrannt. Entlang des Strömungspfades 28 strömen die heißen Verbrennungsabgase von der Brennkammer 25 in den Turbinenabschnitt 7, wo sie expandieren und abkühlen.During operation of the gas turbine 1, air is sucked in through an air inlet 21 of the compressor section 3 and compressed by the compressor blades 11. The compressed air is supplied in the combustion chamber section 5 arranged combustion chambers 25, in which also a gaseous or liquid fuel, for example oil or gas is injected via at least one burner 16. The resulting air-fuel mixture is ignited and burned in the combustion chambers 25. Along the flowpath 28, the hot combustion exhaust gases flow from the combustor 25 into the turbine section 7, where they expand and cool.

Figur 2 zeigt einen Brenner 16 in einer perspektivischen Darstellung. Als Hauptkomponenten umfasst der Brenner 16 einen Brennstoffverteilerring 30, acht Brennstoffdüsen 29, die sich vom Brennstoffverteilerring 30 aus erstrecken und acht im Bereich der Spitzen der Brennstoffdüsen 29 angeordnete Drallerzeuger 31. Der Brennstoffverteilerring 30 und die Brennstoffdüsen 29 bilden zusammen ein Brennergehäuse, durch welches sich Brennstoffleitungen zu Eindüsöffnungen erstrecken, die innerhalb der Drallerzeuger 31 angeordnet sind. Die Brennstoffdüsen 29 können am Brennstoffverteilerring 30 angeschweißt sein. Über eine Anzahl von Rohrstutzen (nicht dargestellt) kann der Brenner an Brennstoffzufuhrleitungen angeschlossen werden. Mittels eines Flansches 35 lässt sich der Brenner 16 an einer Rohrbrennkammer 25 so befestigen, dass die Brennstoffdüsen 29 zum Brennkammerinneren hin zeigen. FIG. 2 shows a burner 16 in a perspective view. As main components, the burner 16 comprises a fuel distributor ring 30, eight fuel nozzles 29 extending from the fuel distributor ring 30 and eight swirlers 31 arranged in the region of the tips of the fuel nozzles 29. The fuel distributor ring 30 and the fuel nozzles 29 together form a burner housing through which fuel lines extend to Eindüsöffnungen which are disposed within the swirl generator 31. The fuel nozzles 29 may be welded to the fuel distributor ring 30. Through a number of pipe sockets (not shown), the burner can be connected to fuel supply lines. By means of a flange 35 can be the Fix burner 16 to a tube combustion chamber 25 so that the fuel nozzles 29 face towards the interior of the combustion chamber.

Beim Verbrennungsprozess wird Luft oder ein Luft-Brennstoffgemisch aus dem Verdichter durch die Brennstoffdüsen 29 und die Drallerzeuger 31 geleitet, wo sie mit Brennstoff gemischt wird. Dadurch wird zudem eine Luftströmungsrichtung L in der Brennstoffdüse ausgebildet. Anschließend wird das Luft-Brennstoff-Gemisch dann in der Verbrennungszone einer Brennkammer 25 verbrannt, um das Arbeitsmedium zu bilden. Durch das Luft oder Luft-Brennstoffgemisch werden die Brennstoffdüsen 29 als auch der Brennstoffverteilerring 30 erhitzt.In the combustion process, air or an air-fuel mixture from the compressor is passed through the fuel nozzles 29 and the swirl generators 31, where it is mixed with fuel. As a result, an air flow direction L is also formed in the fuel nozzle. Subsequently, the air-fuel mixture is then burned in the combustion zone of a combustion chamber 25 to form the working medium. By the air or air-fuel mixture, the fuel nozzles 29 and the fuel distributor ring 30 are heated.

Fig. 3 zeigt eine Brennstoffdüse 29 im Querschnitt. Die Brennstoffdüse 29 wird mit Öl versorgt. Dazu weist die Brennstoffdüse 29 unter anderem eine Ölbrennstoffdüse mit einer Ölleitung 100 auf. Zur Versorgung der Brennstoffdüse 29 mit Öl, ist es notwendig kaltes Öl durch die Ölleitung 100 zu leiten. Aufgrund der unterschiedlichen Temperatur zwischen der Ölleitung 100 und der Brennstoffdüse 29 kommt es zu unterschiedlichen Wärmedehnungen. Die Folge sind hohe Wärmespannungen, die wesentlich die Lebensdauer der Brennstoffdüse und der Ölleitung 100, begrenzen. Zur Kompensation der unterschiedlichen Dehnungen ist die Ölleitung 100 in Form einer Wendel ausgeführt. Die Wendel hat drei Windungen, die wie eine Spiralfeder, die thermischen Dehnungen bzw. Stauchungen kompensiert. Die auftretenden Wärmespannungen sind jedoch dennoch zu hoch. Zudem ist die Fertigung der Wendel anspruchsvoll und kann Ursache von Fehlern sein, die zum Versagen führen. Auch ist die Wendel eine zusätzliche Masse, die die Eigenfrequenz der Ölleitung 100 herabsetzt. So können kritische Frequenzen auftreten, die im Betrieb zum Versagen führen. Auch der Druckverlust, aufgrund der Form und Länge der Wendel, ist nicht unerheblich. Fig. 3 shows a fuel nozzle 29 in cross section. The fuel nozzle 29 is supplied with oil. For this purpose, the fuel nozzle 29 has, inter alia, an oil fuel nozzle with an oil line 100. To supply the fuel nozzle 29 with oil, it is necessary to pass cold oil through the oil pipe 100. Due to the different temperature between the oil line 100 and the fuel nozzle 29, there are different thermal expansions. The result is high thermal stresses that significantly limit the life of the fuel nozzle and the oil line 100. To compensate for the different strains, the oil line 100 is designed in the form of a helix. The helix has three turns, which, like a spiral spring, compensates for thermal expansion or compression. The occurring thermal stresses are still too high. In addition, the production of the helix is demanding and can be the cause of errors that lead to failure. Also, the helix is an additional mass that reduces the natural frequency of the oil line 100. Thus, critical frequencies can occur, which lead to failure during operation. The pressure loss, due to the shape and length of the helix, is not insignificant.

Erfindungsgemäß wird nun die Brennstoffdüse 29 mithilfe einer Passung zweiteilig in zwei Brennstoffdüsenhälften ausgeführt, wobei die Brennstoffdüsenhälften mittels dieser Passung verbunden sind. Dabei kann diese Passung eine Übergangspassung oder eine Spielpassung sein. Bevorzugt ist diese Passung jedoch als Schiebesitz 110 ausgeführt. Der Schiebesitz 110 weist eine axiale Führung in Luftströmungsrichtung L auf. Der Schiebesitz 110 ermöglicht Verschiebungen 130, die infolge thermischer Ausdehnungen entstehen. Dadurch lassen sich auftretende thermische Spannungen wesentlich reduzieren. Die Lebensdauer der Brennstoffdüse und der Ölleitung wird somit erhöht.According to the invention, the fuel nozzle 29 is now made in two parts by means of a fit in two fuel nozzle halves, wherein the fuel nozzle halves connected by means of this fit are. This fit can be a transitional fit or a clearance fit. However, this fit is preferably designed as a sliding seat 110. The sliding seat 110 has an axial guide in the air flow direction L. The sliding seat 110 allows displacements 130, which arise as a result of thermal expansion. As a result, occurring thermal stresses can be significantly reduced. The life of the fuel nozzle and the oil line is thus increased.

Somit kann auch die Fertigung vereinfacht werden. Auch die Masse der Ölleitung 100 kann somit reduziert werden. Zur Abdichtung zwischen Brennstoff und Verdichterluftpfad der Brennstoffdüse 29 wird ein sogenanntes Bellow 200 (Schutzbalg) verwendet. Bellows 200 sind sozusagen elastische Federkörper, welche sich bei Druck/Zug oder Verschiebung 130 ausdehnen können, und anschließend ohne Druck/Zug wieder nahezu in den ursprünglichen Zustand übergehen. Die Bellows 200 sind dabei aus hitzebeständigem Material, bevorzugt Metall oder Metalllegierung. Die Brennstoffdüse 29 weist eine Innenseite 150 auf, welche sich im Inneren der Brennstoffdüse 29 befindet, sowie eine Außenseite 170, welche sich nicht im Inneren der Brennstoffdüse 29 befindet. Das Bellow 200 kann auf der Innenseite 150 der Brennstoffdüse 29 angebracht sein. Auch überdeckt das Bellow 200 den Schiebesitz 110. Verschiebt sich der eine Teil der Brennstoffdüse 29 nun durch thermische Spannungen in eine axiale Richtung, so wird das Bellow 200 durch seine elastische Eigenschaft lediglich gedehnt und dichtet so die Brennstoffdüse 29 weiter ab.Thus, the production can be simplified. The mass of the oil line 100 can thus be reduced. For sealing between fuel and compressor air path of the fuel nozzle 29, a so-called Bellow 200 (protective bellows) is used. Bellows 200 are, so to speak, elastic spring bodies, which can expand in compression / tension or displacement 130, and then return almost without pressure / tension to the original state. The Bellows 200 are made of heat-resistant material, preferably metal or metal alloy. The fuel nozzle 29 has an inner side 150, which is located in the interior of the fuel nozzle 29, and an outer side 170, which is not located in the interior of the fuel nozzle 29. The bellow 200 may be mounted on the inside 150 of the fuel nozzle 29. The Bellow 200 also covers the sliding seat 110. If one part of the fuel nozzle 29 now shifts in an axial direction due to thermal stresses, then the Bellow 200 is merely stretched due to its elastic property, thus sealing the fuel nozzle 29 further.

Wie in Fig. 4 gezeigt kann das Bellow 200 auch auf der Außenseite 170 der Brennstoffdüse 29 angebracht sein. Ist das Bellow 200 auf der Außenseite 170 der Brennstoffdüse 29 angebracht, so kann es unter einem Schutzmantel 220 angeordnet werden (Fig.4). Dieser kann das Bellow 200 vor Hitze schützen. Zudem kann der Schutzmantel 220 strömungsoptimiert ausgeführt werden, so dass in den Außenströmungen keine Turbulenzen erzeugt werden.As in Fig. 4 shown, the bellow 200 may also be mounted on the outside 170 of the fuel nozzle 29. If the bellow 200 is mounted on the outside 170 of the fuel nozzle 29, it can be arranged under a protective jacket 220 ( Figure 4 ). This can protect the Bellow 200 from heat. In addition, the protective jacket 220 can be designed to be flow-optimized, so that no turbulence is generated in the outer flows.

Durch die erfindungsgemäße Brennstoffdüse 29 lassen sich die thermischen Spannungen wesentlich reduzieren. Zudem wird die Lebensdauer der Brennstoffdüse und der Ölleitung, aber auch der anderen fest mit der Brennstoffdüse eingespannten bzw. befestigten Bauteilen erhöht. Auch kann somit die Ölleitung 100 ohne Windungen ausgeführt werden (nicht gezeigt).By the fuel nozzle 29 according to the invention, the thermal stresses can be significantly reduced. In addition, the life of the fuel nozzle and the oil line, but also the other firmly clamped or fastened with the fuel nozzle components is increased. Also, therefore, the oil pipe 100 can be performed without turns (not shown).

Claims (14)

Brennstoffdüse (29), wobei die Brennstoffdüse (29) an einem Brennstoffverteilerring (30) befestigt ist, wobei durch die Brennstoffdüse (29) Verdichterluft oder ein Verdichterluft-Brennstoffgemisch geführt wird und somit eine Luftströmung (L) ausgebildet wird, wobei in Luftströmung (L) gesehen durch die Brennstoffdüse (29) eine Leitung zur Führung eines Brennstofffluids führt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (29) zweiteilig in zwei Brennstoffdüsenhälften ausgeführt ist und diese Brennstoffdüsenhälften durch eine Passung verbunden sind.A fuel nozzle (29), wherein the fuel nozzle (29) is fixed to a fuel distributor ring (30) through the compressor nozzle (29) compressor air or a compressor air-fuel mixture is guided and thus an air flow (L) is formed, wherein in air flow (L seen through the fuel nozzle (29) leads a conduit for guiding a fuel fluid,
characterized in that the fuel nozzle (29) is made in two parts in two fuel nozzle halves and these fuel nozzle halves are connected by a fit. Brennstoffdüse (29) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung zur Führung eines Brennstofffluids eine Ölleitung (100) ist.A fuel nozzle (29) according to claim 1,
characterized in that the conduit for guiding a fuel fluid is an oil conduit (100). Brennstoffdüse (29) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Passung eine Übergangspassung ist.A fuel nozzle (29) according to claim 1 or 2,
characterized in that the fit is a transition fit. Brennstoffdüse (29) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Passung eine Spielpassung ist.A fuel nozzle (29) according to claim 1 or 2,
characterized in that the fit is a clearance fit. Brennstoffdüse (29) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Passung als Schiebesitz (110) ausgeführt ist.Fuel nozzle (29) according to one of the preceding claims,
characterized in that the fit is designed as a sliding seat (110). Brennstoffdüse (29) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (29) ein Bellow (200) aufweist.Fuel nozzle (29) according to one of the preceding claims,
characterized in that the fuel nozzle (29) has a bellow (200). Brennstoffdüse (29) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Bellow (200) elastische Eigenschaften aufweist und hitzebeständig ist.A fuel nozzle (29) according to claim 6,
characterized in that the bellow (200) has elastic properties and is heat resistant. Brennstoffdüse (29) nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Bellow (200) auf der Innenseite (150) der Brennstoffdüse (29) angebracht ist, und zumindest die Passung überdeckt.A fuel nozzle (29) according to claim 6 or 7,
characterized in that the bellow (200) is mounted on the inside (150) of the fuel nozzle (29) and at least covers the fit. Brennstoffdüse(29) nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Bellow (200) auf der Außenseite (170) der Brennstoffdüse (29) angebracht ist, und zumindest die Passung überdeckt.A fuel nozzle (29) according to claim 6 or 7,
characterized in that the bellow (200) is mounted on the outside (170) of the fuel nozzle (29) and at least covers the fit. Brennstoffdüse (29) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Bellow (200) unter einem Schutzmantel (220) angeordnet ist.A fuel nozzle (29) according to claim 9,
characterized in that the bellow (200) is disposed under a protective jacket (220). Brennstoffdüse (29) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzmantel (220) aus Metall oder einer Metalllegierung ist.A fuel nozzle (29) according to claim 10,
characterized in that the protective sheath (220) is made of metal or a metal alloy. Brennstoffdüse (29) nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzmantel (220) strömungsoptimiert ausgeführt ist.A fuel nozzle (29) according to claim 10 or 11,
characterized in that the protective jacket (220) is designed to optimize flow. Brenner mit einer Brennstoffdüse (29) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Burner with a fuel nozzle (29) according to one of the preceding claims. Gasturbine mit einem Verdichter, einer Turbine sowie einem Brenner nach Anspruch 13.Gas turbine with a compressor, a turbine and a burner according to claim 13.
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