EP2606281A1 - Gasturbinenbrennkammer mit brennstoffdüse, brenner mit einer solchen brennstoffdüse und brennstoffdüse - Google Patents

Gasturbinenbrennkammer mit brennstoffdüse, brenner mit einer solchen brennstoffdüse und brennstoffdüse

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Publication number
EP2606281A1
EP2606281A1 EP11767233.7A EP11767233A EP2606281A1 EP 2606281 A1 EP2606281 A1 EP 2606281A1 EP 11767233 A EP11767233 A EP 11767233A EP 2606281 A1 EP2606281 A1 EP 2606281A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
fuel
passage openings
gas turbine
turbine combustor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11767233.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jaap Van Kampen
Timothy A. Fox
Steven Williams
Ulrich Wörz
Uwe Gruschka
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 EP11767233.7A priority Critical patent/EP2606281A1/de
Publication of EP2606281A1 publication Critical patent/EP2606281A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/22—Fuel supply systems
    • 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
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
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    • F23D2900/14642—Special features of gas burners with jet mixers with more than one gas injection nozzles or orifices for a single mixing tube
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    • 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
    • F23R2900/00002—Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine combustion chamber with at least one fuel nozzle according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a burner with such a fuel nozzle according to claim 10. In addition, the invention relates to a fuel nozzle according to claim 11.
  • burners and operating methods for burners have been developed in recent years, which have particularly ge ⁇ rings emissions of nitrogen oxides (NOx).
  • NOx nitrogen oxides
  • such burners in each case not only with a fuel, but preferably with different fuels, such as oil, natural gas and / or subsidiarykalo ⁇ step fuels, which are also referred to as synthesis gas, either individually or in combination are operable to increase the security of supply and flexibil ⁇ ty during the operation.
  • Synthesis gas burners are characterized by the fact that synthesis gas is used as fuel in them. Compared with the traditional gas turbine fuels natural gas and petroleum, which consist essentially of hydrocarbon compounds, the combustible constituents of synthesis gas are essentially carbon monoxide and hydrogen.
  • the burner in the combustion chamber associated with the gas turbine must then be designed as two or multi-fuel burner, which are acted upon with both the synthesis gas and with the secondary fuel, for example natural gas as needed can.
  • the design of a burner as a multi-fuel burner is also responsible for the availability of the gas turbine power in the event of fluctuations in the heating tes in the synthesis gas, necessary.
  • the respective fuel is in this case supplied via a fuel passage in the burner of Burn ⁇ drying zone.
  • Previous multi-fuel burners have a fuel nozzle, which is a nozzle tube, the gas supply with a first Brennstoffzu-, hereinafter referred to as natural gas, in conjunction, and a nozzle cover with a center ⁇ point and passage openings through which the natural gas flow into a combustion chamber can.
  • the passage openings are arranged in the circumferential direction on a circular line arranged in the nozzle cover. Between the passage openings in the nozzle cover, a so-called web with a sufficient web width is formed in the nozzle cover.
  • the first object is achieved by the indication of an internal ⁇ material nozzle according to claim 11.
  • the second object is achieved by specifying a gas turbine combustor according to claim 1.
  • the third object is achieved by the specification of a burner according to claim 10.
  • the gas turbine combustor according to the invention according to claim 1 has at least one fuel nozzle, wherein at least one fuel nozzle according to claim 1 is formed.
  • said at least one fuel nozzle on a nozzle cover having a center wherein the nozzle ⁇ lid comprises a plurality of passage openings through which exits the air flowed into the nozzle pipe fluid and wherein the passage openings are arranged on at least two circular lines with different radial distance to the center.
  • Fig. 1 shows a fuel nozzle according to the invention in cross ⁇ section .
  • Fig. 2 shows a nozzle cover according to the invention.
  • Fig. 3 shows the fuel nozzle according to the invention schematically ⁇ table with the different opening angles of the passage openings.
  • Fig. 4 shows a detail of a nozzle cover with through ⁇ lassö réelle and an inlet trumpet with Brennstoffin ector according to a first embodiment.
  • Fig. 5 shows a detail of a nozzle cover with passage opening and an inlet trumpet with Brennstoffin ector according to a second embodiment.
  • Fig. 6 shows a detail of a nozzle cover with through ⁇ lassö réelle and an inlet trumpet.
  • Fig. 7 shows a fuel nozzle in a synthesis gas burner.
  • Fig. 8 shows a fuel nozzle in a gas turbine combustor.
  • Fig. 1 shows a fuel nozzle with a cylindrical SI ⁇ senrohr 1 and a convex nozzle cover 2.
  • the Brennstoffdü ⁇ s 1 has a cylinder axis 7.
  • a fluid, in particular a fuel is introduced, wel ⁇ cher then exits through the passage openings 4a, 4b in a downstream, not shown combustion chamber.
  • Fig. 2 shows a nozzle cover 2 from the front.
  • the nozzle cover 2 has a center 3.
  • the nozzle cover 2 also has a plurality of passage openings 4a, 4b.
  • the through-holes 4a, 4b are at least two circular lines 5a, 5b is arranged ⁇ with under ⁇ stanlichem radial distance Rl, R2 to the center. 3
  • the passage openings 4a are arranged on the Kreisli ⁇ never 5a with a radius Rl to the center 3. Since ⁇ at the circular line 5a is indicated by the smaller radius Rl as a radially inner circular line 5a. Compared with the
  • Nozzle of the prior art is now transported by the passage openings 4a, which lie on the radially inner circle 5a, more fuel or, if the fuel is premixed, more fuel-air mixture to the center 3 of the Düsende-.
  • This prevents overheating of the Dü ⁇ sendeckels 2, in particular around the center 3 around.
  • this prevents a flashback.
  • the temperature of the nozzle cover 2 in comparison to the nozzle in the State of the art reduced.
  • the distance of the passage openings 4a and 4b in the nozzle cover 2 is thus increased compared to the nozzle of the prior art. This also increases the web width between the passage openings 4a and 4b. This reduces the risk of cracking.
  • the number of the total passage openings 4a, 4b is higher than that of the nozzle of the prior art.
  • the diameter of the passage openings 4a and 4b can be increased without the web width between the passage openings 4a and 4b becoming too small relative to each other.
  • Another advantage of the fuel nozzle according to the invention is that the arrangement of the passage openings on the various circular lines 5a, 5b, the total pressure loss at the passage openings 4a, 4b is lower than the total pressure loss at the passage openings of the fuel nozzle of the prior art. This results in a more stable combustion.
  • the passage openings 4a, 4b on a circular line 5a, 5b have an equidistant spacing from each other. This results in a symmetrical inflow of the fuel into the downstream combustion chamber (not shown). This is necessary for a uniform combustion of the fuel.
  • the passage openings 4a on one circular line 5a are offset relative to the passage openings 4b on the other circular line 5b by an angle.
  • the number of through ⁇ openings 4a, 4b on the two circular lines 5a, 5b may be the same but also different (not shown).
  • the passage openings 4a, 4b may have different or equal diameters (not shown).
  • Fig. 3 shows a schematic cross section through a
  • FIG. 3 also shows that the passage openings 4a, 4b, 5b respectively ⁇ a different opening angle ß form on the different circle lines 5a, with the cylinder axis 7.
  • the passage openings 4a have on the radially inner circle 5a a larger opening angle ⁇ than the through-holes 4b, which are arranged on the radially externa ⁇ ßeren circular line 5b.
  • the opening angle of the passage openings 4a, 4b on the different circular lines 5a, 5b is always chosen so that the natural-.
  • Leaves 4a on the circular line 5a has the same radial inflow of the fluid into the combustion chamber (not shown) as the passage openings 4b on the circular line 5b.
  • Fig. 4 shows an example representative of a plurality of, in particular ⁇ sondere all passage openings 4a, 4b (Fig. 2) has a passage opening 4, which comprises upstream of an inlet trumpet 20 ( "bell mouth").
  • a fuel in can ector point 22 which from a centrally located in the nozzle tube 1 (Fig.l) arranged fuel supply line 24.
  • the fluid which is passed through the nozzle tube 1 (Fig. 1), here is compressor air 30.
  • FIG. 6 shows a passage opening 4 with inlet trumpet 20 without Brennstoffinj ector 22 ( Figures 4 and 5).
  • a fuel-air mixture 45 is introduced as a fluid through the passage opening 4 into the combustion chamber (not shown), that is, it already found mixing in the nozzle tube 1 (FIG. 1) or even upstream of the nozzle tube 1 (FIG. 1) of fuel with air instead.
  • An inlet trumpet 20, as has been shown, for example, in FIGS. 4-6, causes no recirculation to take place in the passage opening 4. This avoids flashback.
  • Fuel for example natural gas, synthesis gas or liquid fuel ⁇ pass through the passage opening 4 with the inlet trumpet 20.
  • FIG. 7 shows the fuel nozzle according to the invention as a multi-fuel nozzle.
  • the nozzle tube 1 stands with a first fuel supply line connected for supplying a first fuel, such as natural gas with steam, is spaced in the SI ⁇ senrohr 1.
  • a first fuel such as natural gas with steam
  • an Au JOmantel arranged 16 which is connected to the nozzle pipe 1 forms an annular gap 17 forms with an annular gap outlet opening 18.
  • the annular gap 17 communicates with a second supply ⁇ line, for example a synthesis gas feed line, in conjunction, for feeding synthesis gas into the annular gap 17, wherein the natural gas and the synthesis gas through the fürlassöff ⁇ voltages 4a, 4b and the annulus outlet opening 18 (into a combustion chamber not shown) can be flowed.
  • the fuel nozzle in a gas turbine combustion chamber.
  • the fuel nozzle comprising a nozzle tube 1 and passage openings 4a, 4b arranged in the central portion of a tube 12 which opens at one end to a combustion chamber ⁇ (not shown) out.
  • a plurality of main burners 14 are arranged around the fuel nozzle with respect to the radial direction.
  • the main burner 14 include in the
  • Combustion chamber (not shown) main outlet openings 40.
  • the passage openings 4a, 4b of the fuel nozzle point into the same combustion chamber (not shown).
  • the nozzle cover 2 with the passage openings 4a, 4b upstream of the Hauptaus ⁇ outlet openings 14 is arranged. This stabilizes the Burn ⁇ planning.
  • a cone 35 or a straight wall portion 32 may be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer mit einer Brennstoffdüse umfassend ein zylindrisches Düsenrohr (1), in welches ein Fluid eingeströmt wird, und ein stromabwärts des Düsenrohrs (1) angeordneter konvex ausgebildeter Düsendeckel (2) mit einem Mittelpunkt (3), wobei der Düsendeckel (2) mehrere Durchlassöffnungen (4a, 4b) aufweist, durch welche das in das Düsenrohr (1) eingeströmte Fluid austritt, wobei die Durchlassöffnungen (4a, 4b) auf zumindest zwei Kreislinien (5a, 5b) mit unterschiedlichen radialen Abstand (R1, R2) zum Mittelpunkt (3) angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Gasturbinenbrennkammer mit Brennstoffdüse, Brenner mit einer solchen Brennstoffdüse und Brennstoffdüse
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenbrennkammer mit mindestens einer Brennstoffdüse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Brenner mit einer solchen Brennstoffdüse nach dem Anspruch 10. Zudem betrifft die Erfindung eine Brennstoffdüse nach Anspruch 11.
Im Hinblick auf die weltweiten Bemühungen zur Senkung des Schadstoffausstoßes von Feuerungsanlagen, insbesondere bei Gasturbinen, wurden in den letzten Jahren Brenner und Betriebsverfahren für Brenner entwickelt, welche besonders ge¬ ringe Ausstöße an Stickoxiden (NOx) haben. Dabei wird viel¬ fach Wert darauf gelegt, dass solche Brenner jeweils nicht nur mit einem Brennstoff, sondern möglichst mit verschiedenen Brennstoffen, beispielsweise Öl, Erdgas und/oder niederkalo¬ rischen Brennstoffen, welche nachfolgend auch als Synthesegas bezeichnet werden, wahlweise einzeln oder in Kombination betreibbar sind, um die Versorgungssicherheit und Flexibili¬ tät beim Betrieb zu erhöhen.
Synthesegas-Brenner zeichnen sich dadurch aus, dass in ihnen Synthesegas als Brennstoff verwendet wird. Verglichen mit den klassischen Gasturbinenbrennstoffen Erdgas und Erdöl, die im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffverbindungen bestehen, sind die brennbaren Bestandteile von Synthesegas im Wesentlichen Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Zum wahlweisen Betrieb einer Gasturbine mit Synthesegas aus einer Vergasungseinrichtung und einem Zweit- oder Ersatzbrennstoff muss der Brenner in der der Gasturbine zugeordneten Brennkammer dann als Zweioder Mehrbrennstoffbrenner ausgelegt sein, der sowohl mit dem Synthesegas als auch mit dem Zweitbrennstoff, z.B. Erdgas je nach Bedarf beaufschlagt werden kann. Die Ausbildung eines Brenners als Mehrbrennstoffbrenner ist zudem für die Verfügbarkeit der Gasturbinenleistung bei Schwankungen des Heizwer- tes im Synthesegas, notwendig. Der jeweilige Brennstoff wird hierbei über eine Brennstoffpassage im Brenner der Verbren¬ nungszone zugeführt. Bisherige Mehrbrennstoffbrenner weisen eine Brennstoffdüse auf, welche ein Düsenrohr, das mit einer ersten Brennstoffzu- fuhrleitung für Gas, hier nachfolgend als Erdgas bezeichnet, in Verbindung steht, und einen Düsendeckel mit einem Mittel¬ punkt und Durchlassöffnungen, durch welche das Erdgas in eine Brennkammer einströmen kann. Die Durchlassöffnungen sind dabei in Umfangsrichtung auf einer Kreislinie angeordnet in dem Düsendeckel angebracht. Zwischen den Durchlassöffnungen im Düsendeckel bildet sich im Düsendeckel ein sogenannter Steg mit einer hinreichenden Stegbreite aus.
Bisher war es nicht notwendig, den Düsendeckel mit den Durch¬ lassöffnungen zu kühlen. Wird nun zusätzlich zum Ergasbetrieb Synthesegas verwendet, so wird radial beabstandet um das Dü¬ senrohr ein Außenmantel angeordnet, welcher mit dem Düsenrohr einen Ringspalt ausbildet. Der Ringspalt steht mit einer zweiten Brennstoffzufuhrleitung zum Zuführen von Synthesegas zu dem Ringspalt in Verbindung. In einer solchen Anordnung erhitzt sich der Düsendeckel stark, insbesondere im Teillast¬ betrieb, da hier der Impuls des durch den Düsendeckel strö- menden Brennstoffs sehr niedrig ist. Durch die Erhitzung erwärmt sich der Düsendeckel derart, dass sich thermische Span¬ nungen in ihm ausbilden, welche zu Verschleiß führen. Dies reduziert die Lebensdauer der gesamten Brennstoffdüse . Es ist daher eine erste Aufgabe der Erfindung eine Brenn¬ stoffdüse anzugeben, die sich durch eine hohe Lebensdauer auszeichnet. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe einer Gas¬ turbinenbrennkammer mit einer solchen Brennstoffdüse . Eine dritte Aufgabe ist die Angabe eines Brenners mit einer sol- chen Brennstoffdüse .
Die erste Aufgabe wird gelöst durch die Angabe einer Brenn¬ stoffdüse nach Anspruch 11. Die zweite Aufgabe wird gelöst durch die Angabe einer Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1. Die dritte Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Brenners nach Anspruch 10.
Die erfindungsgemäße Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1 weist mindestens eine Brennstoffdüse auf, wobei mindestens eine Brennstoffdüse gemäß Anspruch 1 ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß weist diese mindestens eine Brennstoffdüse einen Düsendeckel mit einem Mittelpunkt auf, wobei der Düsen¬ deckel mehrere Durchlassöffnungen umfasst, durch welche das in das Düsenrohr eingeströmte Fluid austritt und wobei die Durchlassöffnungen auf zumindest zwei Kreislinien mit unterschiedlichem radialen Abstand zum Mittelpunkt angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine bessere Kühlung des Düsende¬ ckels, insbesondere um den Mittelpunkt herum, ohne dass die Stabilität der Verbrennung in einer der Brennstoffdüse stromabwärts angeordneten Brennkammer abnimmt. Somit können thermische Spannungen vermieden werden und die Lebensdauer der Düse erhöht werden. Zudem können nun zur besseren Kühlung mehr Durchlassöffnungen im Düsendeckel, als dies bei der Düse des Stands der Technik der Fall ist, angeordnet werden, da eine hinreichende Stegbreite auch bei mehr Durchlassöffnungen gewährleistet ist.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren 1 bis 8.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennstoffdüse im Quer¬ schnitt .
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Düsendeckel.
Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Brennstoffdüse schema¬ tisch mit den verschiedenen Öffnungswinkeln der Durchlassöffnungen . Fig. 4 zeigt ausschnittsweise einen Düsendeckel mit Durch¬ lassöffnung und einer Einlauftrompete mit Brennstoffin ektor nach einem ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 5 zeigt ausschnittsweise einen Düsendeckel mit Durch- lassöffnung und einer Einlauftrompete mit Brennstoffin ektor nach einem zweiten Ausführungsbeispiel .
Fig. 6 zeigt ausschnittsweise einen Düsendeckel mit Durch¬ lassöffnung und einer Einlauftrompete .
Fig. 7 zeigt eine Brennstoffdüse in einem Synthesegasbrenner .
Fig. 8 zeigt eine Brennstoffdüse in einer Gasturbinenbrennkammer . Fig. 1 zeigt eine Brennstoffdüse mit einem zylindrischen Dü¬ senrohr 1 und einem konvexen Düsendeckel 2. Die Brennstoffdü¬ se 1 weist eine Zylinderachse 7 auf. In die Brennstoffdüse 1 wird ein Fluid, insbesondere ein Brennstoff eingebracht, wel¬ cher anschließend durch die Durchlassöffnungen 4a, 4b in eine nachgeschaltete, nicht gezeigte Brennkammer austritt.
Fig. 2 zeigt einen Düsendeckel 2 von vorne. Der Düsendeckel 2 weist einen Mittelpunkt 3 auf. Der Düsendeckel 2 weist zudem mehrere Durchlassöffnungen 4a, 4b auf. Die Durchlassöffnungen 4a, 4b sind auf zumindest zwei Kreislinien 5a, 5b mit unter¬ schiedlichem radialem Abstand Rl, R2 zum Mittelpunkt 3 ange¬ ordnet. Dabei sind die Durchlassöffnungen 4a auf der Kreisli¬ nie 5a mit einem Radius Rl zum Mittelpunkt 3 angeordnet. Da¬ bei wird die Kreislinie 5a mit dem kleineren Radius Rl als radial innere Kreislinie 5a bezeichnet. Verglichen mit der
Düse des Stands der Technik wird durch die Durchlassöffnungen 4a, welche auf der radial inneren Kreislinie 5a liegen, nun mehr Brennstoff oder, falls der Brennstoff vorgemischt ist, mehr Brennstoff-Luftgemisch zu dem Mittelpunkt 3 des Düsende- ckels 2 transportiert. Dies verhindert ein Überhitzen des Dü¬ sendeckels 2, insbesondere um den Mittelpunkt 3 herum. Zudem wird dadurch ein Flammenrückschlag verhindert. Dadurch wird die Temperatur des Düsendeckels 2 im Vergleich zu der Düse im Stand der Technik reduziert. Gleichzeitig weisen die Durch¬ lassöffnungen 4a auf der Kreislinie 5a die gleiche radiale Einströmung wie die Durchlassöffnungen 4b auf der anderen Kreislinie 5b auf.
Der Abstand der Durchlassöffnungen 4a bzw. 4b im Düsendeckel 2 wird so im Vergleich zur Düse des Stands der Technik erhöht. Dadurch erhöht sich auch die Stegbreite zwischen den Durchlassöffnungen 4a bzw. 4b. Dies reduziert die Gefahr der Rissbildung. Zudem ist, bei einem gleichbleibenden Umfang des Düsendeckels 2, die Anzahl der gesamten Durchlassöffnungen 4a, 4b höher, als dies bei der Düse des Stands der Technik der Fall ist. Zudem kann der Durchmesser der Durchlassöffnungen 4a bzw. 4b erhöht werden, ohne dass die Stegbreite zwi- sehen den Durchlassöffnungen 4a bzw. 4b zueinander zu gering wird. Durch die größere Anzahl an Durchlassöffnungen 4a, 4b und wahlweise zudem durch den größeren Durchmesser der Durchlassöffnungen 4a, 4b kann eine effizientere Kühlung in dem Düsendeckel 2 durch eine verbesserte Verteilung des durch die Durchlassöffnungen 4a, 4b strömenden Fluids erzielt werden. Dadurch wird eine verbesserte Kühlung, insbesondere um den Mittelpunkt 3 des Düsendeckels 2, erzielt. Zudem wird durch eine größere Anzahl an Durchlassöffnungen 4a, 4b und wahlwei¬ se zudem durch den größeren Durchmesser der Durchlassöffnun- gen 4a, 4b die Düsendeckelflache selbst verkleinert; dass heißt die Flamme in der Brennkammer (nicht gezeigt) hat weni¬ ger Fläche im Düsendeckel 2 an der sie angreifen und auch anhaften könnte und diese dadurch beschädigen könnte. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffdüse liegt darin, dass durch die Anordnung der Durchlassöffnungen auf den verschiedenen Kreislinien 5a, 5b der gesamte Druckverlust an den Durchlassöffnungen 4a, 4b niedriger ist als der gesamte Druckverlust an den Durchlassöffnungen der Brenn- stoffdüse des Stands der Technik. Dadurch ergibt sich eine stabilere Verbrennung. Die Durchlassöffnungen 4a, 4b auf einer Kreislinie 5a, 5b weisen zueinander einen äquidistanten Abstand auf. Dadurch ergibt sich eine symmetrische Einströmung des Brennstoffs in die nachgeschaltete Brennkammer (nicht gezeigt) . Dies ist für eine gleichmäßige Verbrennung des Brennstoffs notwendig.
Die Durchlassöffnungen 4a auf der einen Kreislinie 5a sind bezogen die Durchlassöffnungen 4b auf der anderen Kreislinie 5b um einen Winkel versetzt angeordnet. Die Anzahl der Durch¬ lassöffnungen 4a, 4b auf den zwei Kreislinien 5a, 5b können gleich aber auch unterschiedlich sein (nicht gezeigt) . Ebenso können die Durchlassöffnungen 4a, 4b unterschiedliche oder gleiche Durchmesser (nicht gezeigt) aufweisen.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine
Brennstoffdüse mit Düsenrohr 2 mit Zylinderachse 7 und Düsen¬ deckel 2. Fig. 3 zeigt zudem, dass die Durchlassöffnungen 4a, 4b auf den unterschiedlichen Kreislinien 5a, 5b jeweils einen unterschiedlichen Öffnungswinkel α, ß mit der Zylinderachse 7 ausbilden. Dabei weisen die Durchlassöffnungen 4a auf der ra- dial inneren Kreislinie 5a einen größeren Öffnungswinkel α auf als die Durchlassöffnungen 4b, welche auf der radial äu¬ ßeren Kreislinie 5b angeordnet sind. So können beispielsweise die Durchlassöffnungen 4a einen Öffnungswinkel α = 45 ° und die Durchlassöffnungen 4b einen Öffnungswinkel ß = 30° aufweisen. Dies bewirkt, dass die Durchlassöffnungen 4a auf der Kreisli¬ nie 5a die gleiche radiale Einströmung des Brennstoffs auf¬ weist, wie die Durchlassöffnungen 4b auf der Kreislinie 5b. Dadurch bildet sich in der Brennkammer (nicht gezeigt) eine stabile, heiße Rezirkulationszone des Brennstoffes bzw. des Brennstoff-Luftgemisches aus. Die Rezirkulationszone wird durch das Fluid, welches durch die zusätzlichen Durchlassöff¬ nungen 4a in die Brennkammer (nicht gezeigt) eingeströmt wird, sozusagen vom Düsendeckel 2 weggedrückt. Somit wird ei¬ ne Berührung des Düsendeckels 2 durch die heiße Rezirkulati- onszone weitestgehend vermieden. Dadurch werden sehr hohe
Temperaturen im Düsendeckel 2 vermieden. Der Öffnungswinkel der Durchlassöffnungen 4a, 4b auf den unterschiedlichen Kreislinien 5a, 5b wird dabei immer so gewählt, dass die Durch- lassöffnungen 4a auf der Kreislinie 5a die gleiche radiale Einströmung des Fluids in die Brennkammer (nicht gezeigt) aufweist, wie die Durchlassöffnungen 4b auf der Kreislinie 5b.
Fig. 4 zeigt beispielhaft stellvertretend für mehrere, insbe¬ sondere alle Durchlassöffnungen 4a, 4b (Fig. 2) eine Durchlassöffnung 4, welche stromaufwärts eine Einlauftrompete 20 („bellmouth" ) aufweist. In die Einlauftrompete 20 kann ein Brennstoffin ektor 22 weisen, welcher von einer zentral in dem Düsenrohr 1 (Fig.l) angeordneten Brennstoffzufuhrleitung 24 gespeist wird. Das Fluid, welches durch das Düsenrohr 1 (Fig. 1) geleitet wird, ist hier Verdichterluft 30. Durch den Brennstoffin ektor 22 wird an den Durchlassöffnungen 4 Brenn- stoff in die durch das Düsenrohr 1 (Fig. 1) strömende Verdichterluft 30 eingebracht. Das so entstehende Brennstoff- Luftgemisch tritt dann in die Brennkammer (nicht gezeigt) ein. Dabei kann der Brennstoff, welcher durch den Brennstoff¬ injektor 22 in die Durchlassöffnung 4 eingebracht wird, eine parallele Einströmrichtung 26 zur Verdichterluft 30 aufweisen (Fig. 4) oder eine senkrechte Einströmrichtung 28 (Fig. 5) zur Verdichterluft 30 aufweisen. Liegt eine parallele Ein¬ strömrichtung 26 (Fig. 4) vor, so weist das aus der Brennstoffdüse in die Brennkammer (nicht gezeigt) eintretende Brennstoff-Luftgemisch vorteilhafterweise einen größeren Impuls auf als z.B. bei einer senkrechten Einströmung 28 (Fig. 5), was sich positiv auf die Verbrennung auswirkt.
Fig. 6 zeigt eine Durchlassöffnung 4 mit Einlauftrompete 20 ohne Brennstoffinj ektor 22 (Fig.4 und 5) . Hier wird als Fluid ein Brennstoff-Luftgemisch 45 durch die Durchlassöffnung 4 in die Brennkammer (nicht gezeigt) eingebracht, dass heißt, es fand bereits in dem Düsenrohr 1 (Fig. 1) oder noch stromaufwärts des Düsenrohrs 1 (Fig. 1) eine Vermischung von Brenn- stoff mit Luft statt. Dabei bewirkt eine Einlauftrompete 20, wie sie beispielsweise in Fig. 4-6 gezeigt wurde, dass in der Durchlassöffnung 4 keine Rezirkulation stattfindet. Dadurch wird ein Flammenrückschlag vermieden. Ebenso ist es möglich Brennstoff, z.B. Erdgas, Synthesegas oder auch Flüssigbrenn¬ stoff durch die Durchlassöffnung 4 mit der Einlauftrompete 20 hindurchzuführen . Fig. 7 zeigt die erfindungsgemäße Brennstoffdüse als Mehr¬ brennstoffdüse . Das Düsenrohr 1 steht dabei mit einer ersten Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung zum Zuführen eines ersten Brennstoffes, beispielsweise Erdgas mit Dampf, in das Dü¬ senrohr 1. Radial beabstandet ist um das Düsenrohr 1 ein Au- ßenmantel 16 angeordnet, welcher mit dem Düsenrohr 1 einen Ringspalt 17 mit einer Ringspaltaustrittsöffnung 18 ausbildet. Dabei steht der Ringspalt 17 mit einer zweiten Zufuhr¬ leitung, beispielsweise einer Synthesegaszufuhrleitung, in Verbindung, zum Zuführen von Synthesegas in den Ringspalt 17, wobei das Erdgas und das Synthesegas über die Durchlassöff¬ nungen 4a, 4b und die Ringspaltaustrittsöffnung 18 in eine Brennkammer (nicht gezeigt) einströmbar sind. In einer solchen Anordnung ist eine effiziente Kühlung des Düsendeckels 2 (Fig.l), wie sie die erfindungsgemäße Brennstoffdüse bietet besonders vorteilhaft. Zudem sind in einer solchen Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffdüse die NOx-Emissionen geringer. Gleichzeitig wird die Stabilität einer solchen Verbrennungsanordnung erhöht. Dadurch wiederum kann nun der Dampf im Erdgas um 10% reduziert werden. Dies reduziert den gesamten Fluidmassenstrom durch das Düsenrohr 1. Dadurch ergibt sich vorteilafterweise ein geringerer Druckverlust am Düsendeckel 2.
Fig. 8 zeigt die Brennstoffdüse in einer Gasturbinenbrennkam- mer. Hier wird die Brennstoffdüse, umfassend einem Düsenrohr 1 und Durchlassöffnungen 4a, 4b im mittleren Abschnitt eines Rohrs 12 angeordnet, das sich an einem Ende zu einer Brenn¬ kammer (nicht gezeigt) hin öffnet. Mehrere Hauptbrenner 14 sind im Bezug auf die Radialrichtung um die Brennstoffdüse angeordnet. Dabei umfassen die Hauptbrenner 14 mit in die
Brennkammer (nicht gezeigt) weisende Hauptaustrittsöffnungen 40. Die Durchlassöffnungen 4a, 4b der Brennstoffdüse weisen in dieselbe Brennkammer (nicht gezeigt) . Der Düsendeckel 2 mit den Durchlassöffnungen 4a, 4b ist stromaufwärts der Hauptaus¬ trittsöffnungen 14 angeordnet. Dies stabilisiert die Verbren¬ nung. Um die Hauptbrenner 14 mit der Brennstoffdüse zu verbinden, kann ein Konus 35 oder ein gerader Wandabschnitt 32 verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Gasturbinenbrennkammer mit einer Brennstoffdüse, wobei die Brennstoffdüse ein zylindrisches Düsenrohr (1), in welches ein Fluid eingeströmt wird, und ein stromabwärts des Düsenrohrs (1) angeordneter, konvex ausgebildeter Düsendeckel (2) mit einem Mittelpunkt (3) umfasst, wobei der Düsendeckel (2) mehrere Durchlassöffnungen (4a, 4b) aufweist, durch welche das in das Düsenrohr (1) einge¬ strömte Fluid austritt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Durchlassöffnungen (4a, 4b) auf zumindest zwei Kreisli¬ nien (5a, 5b) mit unterschiedlichen radialen Abstand (R1,R2) zum Mittelpunkt (3) angeordnet sind.
2. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Durchlassöffnungen (4a, 4b) auf einer Kreislinie (5a, 5b) einen äquidistanten Abstand aufweisen.
3. Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Düsenrohr (1) eine Zylinderachse (7) aufweist und die Durchlassöffnungen (4a, 4b) auf den unterschiedlichen Kreislinien (5a, 5b) jeweils einen unterschiedlichen Öffnungswinkel (α, ß ) mit der Zylinderachse (7) ausbil¬ den .
4. Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Durchlassöffnungen (4a) auf derjenigen Kreislinie (5a) mit dem kleineren radialen Abstand (Rl) einen größeren Öffnungswinkel (oc) aufweisen als die Durchlassöffnungen (4b), welche auf der Kreislinie (5b) mit dem größeren radialen Abstand (R2) angeordnet sind. Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Durchlassöffnungen (4a), welche auf der einen Kreislinie (5a) liegen, bezogen auf die Durchlassöffnungen (4b), welche auf der anderen Kreislinie (5b) liegen, um einen Winkel versetzt angeordnet sind.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s mindestens eine der Durchlassöffnungen (4a, 4b) stromauf¬ wärts eine Einlauftrompete (20) umfasst.
Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s in mindestens eine Einlauftrompete (20) ein Brennstoff¬ injektor (22) weist, welcher von einer in dem Düsenrohr (1) angeordneten Brennstoffzufuhrleitung (24) gespeist wird .
Gasturbinenbrennkammer nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Brennstoffin ektor (22) derart ausgebildet ist, dass er Brennstoff parallel und/oder senkrecht zur Strömungs¬ richtung des durch die Durchlassöffnung (4a, 4b) hindurch strömenden Fluids injiziert.
Gasturbinenbrennkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Brennstoffdüse im mittleren Abschnitt eines Rohrs
(12) angeordnet ist, das sich an einem Ende zu einer Brennkammer hin öffnet, sowie mehrerer Hauptbrenner
(14), die im Bezug auf die Radialrichtung um die Brennstoffdüse angeordnet sind, wobei die Hauptbrenner (14) mit in die Brennkammer weisende Hauptaustrittsöffnungen
(40) umfassen, wobei die Durchlassöffnungen (4a, 4b) der Brennstoffdüse in dieselbe Brennkammer weisen, und der Düsendeckel (2) mit den Durchlassöffnungen (4a, 4b) stromaufwärts der Hauptaustrittsöffnungen (14) angeordnet ist.
10. Brenner mit einer Brennstoffdüse mit Düsenrohr (1) und Durchlassöffnungen (4a, 4b), wobei das Düsenrohr (1) mit einer ersten Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung steht, zum Zuführen eines ersten Brennstoffes in das Dü¬ senrohr (1), wobei radial beabstandet um das Düsenrohr
(1) ein Außenmantel (16) angeordnet ist, welcher mit dem Düsenrohr (1) einen Ringspalt (17) mit einer Ringspalt- austrittsöffnung (18) ausbildet, wobei der Ringspalt
(17) mit einer zweiten Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung steht, zum Zuführen eines zweiten Brennstoffs in den Ringspalt (17), wobei der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff über die Durchlassöffnungen (4a, 4b) und die Ringspaltaustrittsöffnung (18) in eine Brennkammer einströmbar sind,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Brenner Bestandteil der Gasturbinenbrennkammer nach einem der Ansprüche 1-9 ist.
11. Brennstoffdüse mit einem Düsenrohr und einem Düsende¬ ckel,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Brennstoffdüse Bestandteil der Gasturbinenbrennkam¬ mer nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder des Brenners nach Anspruch 10 ist.
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