EP2860453A1 - Vormischbrenner für eine Gasturbine mit einer Brennerspitze mit interner Prallkühlung - Google Patents

Vormischbrenner für eine Gasturbine mit einer Brennerspitze mit interner Prallkühlung Download PDF

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EP2860453A1
EP2860453A1 EP20130188056 EP13188056A EP2860453A1 EP 2860453 A1 EP2860453 A1 EP 2860453A1 EP 20130188056 EP20130188056 EP 20130188056 EP 13188056 A EP13188056 A EP 13188056A EP 2860453 A1 EP2860453 A1 EP 2860453A1
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premix
premix burner
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Daniel Vogtmann
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Siemens AG
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    • F23D2900/14—Special features of gas burners
    • F23D2900/14021—Premixing burners with swirling or vortices creating means for fuel or air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R2900/03044—Impingement cooled combustion chamber walls or subassemblies

Definitions

  • the invention relates to a premix burner and a Vormischverbrennungssystem and refers to the cooling of the burner tip.
  • the invention further relates to a method for cooling the burner tip.
  • the tip of a premix burner is exposed to high temperatures during operation. To prevent scaling and damage to the burner, the burner tip must be cooled.
  • the fuel passage consists essentially of a ring manifold in Brenner agoflansch, followed by several deep holes and finally further holes in the burner hub, which lead directly to the individual blades.
  • the ring distributor in the flange requires several production steps (turning, drilling, welding) and is therefore quite complex and expensive.
  • the deep hole drilling are also complicated and expensive to manufacture by their great length.
  • the low wall thicknesses of the hub and the relatively large length of the bores require a precise and complex manufacturing.
  • the object of the invention is therefore to provide a premix burner of the type mentioned, as well as a premix combustion system, which lead to lower emissions during operation and cost savings in manufacturing.
  • Another object of the invention is to provide a method of cooling a burner tip of a premix burner.
  • Advantageous developments of the invention are defined in the dependent claims.
  • the premix burner according to the invention with a main axis and a relative to this rotationally symmetrical arrangement of an outer shell and a coaxial inner jacket, which defines an inlet from an outlet to an outlet extending annular channel for guiding a stream of oxygen-containing gas with arranged in the annular channel fuel nozzles for supplying a Fuel to the stream, the invention provides that a gas fuel channel arranged centrally on the main axis in a substantially at the level of the outlet also centrally arranged component opens, which is designed so that the fuel is passed to an inner surface of an end face of the component and that branch off from the component channels to the fuel nozzles.
  • the invention thus provides to change the cooling concept so that cooling air is not diverted to cool the pilot burner tip, but the fuel is used, which is passed into the combustion zone.
  • the previously usual for the gas-only operation Edelölbrennerattrappe completely eliminated and the fuel is passed directly through the center of the burner carrier.
  • the component is designed so that during operation of the premix burner an impingement cooling is realized in the component.
  • swirl vanes are arranged in the annular channel.
  • the fuel nozzles are arranged in the swirl blades.
  • a premix combustion system for a gas turbine combustor comprising a main burner and a pilot burner arranged centrally therein, which serves to ignite and / or stabilize the main burner.
  • the pilot burner is a premix burner described in the preceding paragraphs.
  • the object directed to a method for cooling a burner tip of a premix burner is achieved by a method in which fuel is injected into a stream of oxygen-containing gas, wherein the fuel is previously in central via a centrally located on a main axis of the premix burner gas fuel channel arranged component is passed and flows on an inner side of an end face of the component and thereby cools.
  • the fuel is now used for internal burner cooling, the fuel oil burner dummy can be omitted in the gas-only operation of a burner of the aforementioned type.
  • This also results in a simplified fuel guide in the burner carrier interior.
  • cooling air is no longer needed to cool the burner and the emissions are reduced compared to the prior art burner because unmixed air is not conducted into the combustion chamber.
  • the costs are reduced for various reasons: no additional oil burner dummy is required, the costly production of the previous fuel channel is eliminated and the Alit réelle is simplified because only the straight, large interior of the burner support must be alitiert and no longer the narrow, winding Fuel channels as before.
  • the invention offers advantages. Reduced fuel pressure loss in the burner carrier also reduces the risk of reaching the limit supply pressure. In addition, with the invention easily accessible fuel connections at the upstream end of the burner carrier, whereby an easy assembly of the fuel line is possible.
  • the invention offers the advantage that the cooling can be adapted to the corresponding requirements by varying the component in the burner tip.
  • FIG. 1 schematically and exemplarily shows a premix combustion system 17 according to the prior art.
  • the premix combustion system 17, which may optionally be used in conjunction with a plurality of similar systems, for example in the combustion chamber of a gas turbine plant, has a main axis 2 and includes an inner pilot burner 19 and a main burner 18 concentrically surrounding the pilot burner 19. Both pilot burner 19 and main burner 18 may optionally be operated with gaseous and / or liquid fuels, such as natural gas or fuel oil.
  • the pilot burner 19 then comprises as fuel channels an inner oil supply channel (not shown) and a concentrically surrounding inner, annular gas supply channel 20. This in turn is surrounded by an inner annular channel 7 for the supply of combustion air concentric, through an outer shell 3 and a coaxial thereto Inner jacket 4, between an inlet 5 and an outlet 6 is defined.
  • a suitable ignition system may be arranged in or on this annular channel 7 (not shown in the figure).
  • swirl blades 16 are arranged, which fuel nozzles 9 for supplying a fuel 10 to a stream 8 of an oxygen-containing gas, typically air.
  • the main burner 18 surrounding the pilot burner 19 comprises a radially outer ring channel 21, with respect to the axis of symmetry 2, for the combustion air, through which a plurality of swirl vanes 22 of a swirl blading extend.
  • These swirl vanes 22 also have gas nozzles 23 as inlet for fuel, through which fuel gas can be injected into the air flowing in through the radially outer annular channel 21.
  • the task of the pilot burner 19 is to maintain a stable combustion operation in the premix combustion system 17, since this is usually operated with a tendency to instabilities lean mixture.
  • the fuel passage essentially consists of a ring distributor 24 in the burner carrier flange 25, adjoining deep hole bores 26 and further bores 27 in the burner hub 28, which lead directly to the individual blades 16.
  • Premix burner 1 shown bypasses both the disadvantages of the complex production of the fuel passage and the emissions by a centrally disposed on the main axis 2 gas fuel channel 11 is provided, which opens into a substantially centrally at the level of the outlet 6 also centrally arranged component 12, which is formed is that the fuel 10 is directed to an inner surface 13 of an end face 14 of the component 12 and branch off from the channels 15 to the fuel nozzles 9.

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

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner (1) für eine Gasturbine mit einer Hauptachse (2) und einer bezüglich dieser rotationssymmetrischen Anordnung aus einem Außenmantel und einem dazu koaxialen Innenmantel, welche einen von einem Eintritt zu einem Austritt (6) reichenden Ringkanal (7) zur Führung eines Stromes (8) eines Sauerstoff enthaltenden Gases definiert, mit in dem Ringkanal (7) angeordneten Brennstoffdüsen zur Zuführung eines Brennstoffes (10) zu dem Strom (8), wobei ein zentral auf der Hauptachse (2) angeordneter Gasbrennstoffkanal (11) in ein im Wesentlichen auf Höhe des Austritts (6) ebenfalls zentral angeordnetes Bauteil (12) mündet, das so ausgebildet ist, dass der Brennstoff (10) zu einer Innenfläche (13) einer Stirnseite (14) des Bauteils (12) zur Prallkühlung hin geleitet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Vormischbrenner bzw. ein Vormischverbrennungssystem und bezieht sich auf die Kühlung der Brennerspitze. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kühlen der Brennerspitze.
  • Die Spitze eines Vormischbrenners, insbesondere eines Pilotbrenners, ist im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt. Damit keine Verzunderungen und in der Folge Beschädigungen des Brenners auftreten, muss die Brennerspitze gekühlt werden.
  • In Hybrid-Brennern, in denen Gas und Öl verbrannt werden kann, geschieht dies in den Fällen, in denen auf die Öl-Option verzichtet wird, also in den Gas-only-Maschinen, beispielsweise über eine Heizölbrenner-Attrappe, die zentral in den Brennerträger eingesteckt wird. Die Kühlluft wird dabei aus der Verdichterluft aus dem Plenum vor der Brennerpassage entnommen, durch die Attrappe geleitet und anschließend an der Brennerspitze in den Brennraum geleitet. Hierdurch wird ein isolierter Luftstrom erzeugt, der nicht optimal mit Brennstoff gemischt wird, wodurch ungewünschte Emissionen erzeugt werden.
  • Die Brennstoffpassage besteht im Wesentlichen aus einem Ringverteiler im Brennerträgerflansch, darauf folgend mehrere Tieflochbohrungen und abschließend weitere Bohrungen in der Brennernabe, die direkt zu den einzelnen Schaufeln führen.
  • Der Ringverteiler im Flansch benötigt mehrere Fertigungsschritte (Drehen, Bohren, Schweißen) und ist dadurch recht aufwändig und teuer. Die Tieflochbohrungen sind durch ihre große Länge ebenfalls aufwändig und teuer zu fertigen. Gleiches gilt für die Bohrungen in der Brennernabe. Diese besteht aus einem schwerer zu bearbeitenden Werkstoff und zusätzlich erfordern die geringen Wandstärken der Nabe und die relativ große Länge der Bohrungen eine präzise und aufwändige Fertigung.
  • Durch die vielen Umlenkungen des Brennstoffes und die häufigen Querschnittsänderungen des Brennstoffkanals kommt es außerdem zu einem hohen Druckverlust im Brennerträger. Der Hauptdruckverlust sollte jedoch durch die Schaufelaustrittsbohrungen bestimmt sein. Durch den hohen Druckverlust kann es im Falle eines heißen Neustarts der Maschine (z.B. nach einem Trip) zu einem hohen geforderten Brennstoffversorgungsdruck kommen, der nahe der Liefergrenze der Brennstoffversorgungsleitung liegt. Eine Reduzierung des Druckverlustes im Brenner wirkt sich hier also vorteilhaft aus.
  • Ein weiterer Nachteil der verwinkelten Brennstoffführung ist die aufwändige und somit teure Alitierung.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Vormischbrenner der eingangs genannten Art, sowie ein Vormischverbrennungssystem bereitzustellen, die im Betrieb zu geringeren Emissionen und in der Fertigung zu Kosteneinsparungen führen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zum Kühlen einer Brennerspitze eines Vormischbrenners.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 5 und das Verfahren gemäß Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Beim erfindungsgemäßen Vormischbrenner mit einer Hauptachse und einer bezüglich dieser rotationssymmetrischen Anordnung aus einem Außenmantel und einem dazu koaxialen Innenmantel, welche einen von einem Eintritt zu einem Austritt reichenden Ringkanal zur Führung eines Stromes eines Sauerstoff enthaltenden Gases definiert, mit in dem Ringkanal angeordneten Brennstoffdüsen zur Zuführung eines Brennstoffes zu dem Strom, sieht die Erfindung vor, dass ein zentral auf der Hauptachse angeordneter Gasbrennstoffkanal in ein im Wesentlichen auf Höhe des Austritts ebenfalls zentral angeordnetes Bauteil mündet, das so ausgebildet ist, dass der Brennstoff zu einer Innenfläche einer Stirnseite des Bauteils hin geleitet wird und dass von dem Bauteil Kanäle zu den Brennstoffdüsen abzweigen.
  • Die Erfindung sieht also vor, das Kühlkonzept so umzustellen, dass zur Kühlung der Pilotbrennerspitze nicht Kühlluft umgeleitet wird, sondern der Brennstoff verwendet wird, der in die Verbrennungszone geleitet wird. Die bisher für den Gas-only-Betrieb übliche Heizölbrennerattrappe entfällt komplett und der Brennstoff wird direkt durch das Zentrum des Brennerträgers geleitet.
  • An der Spitze befindet sich ein entsprechend der benötigten Kühlauslegung geformtes Bauteil. Nachdem der Brennstoff dieses Bauteil durchströmt und innen auf das Material der Pilotbrennerspitze geströmt ist, strömt dieser weiter zum Ringkanal und tritt dort wie bisher auch aus, um sich mit der Luft zu mischen und in die Verbrennungszone eingeleitet zu werden.
  • Vorteilhafterweise ist das Bauteil so ausgestaltet, dass im Betrieb des Vormischbrenners eine Prallkühlung im Bauteil realisiert wird.
  • Für eine besonders gute Durchmischung von Luft und Brennstoff im Ringkanal ist es vorteilhaft, wenn Drallschaufeln im Ringkanal angeordnet sind.
  • Für eine weitere Verbesserung der Durchmischung ist es dabei vorteilhaft, wenn die Brennstoffdüsen in den Drallschaufeln angeordnet sind.
  • Erfindungsgemäß wird die auf ein Vormischverbrennungssystem gerichtete Aufgabe gelöst durch eine Vormischverbrennungssystem für eine Gasturbinenbrennkammer, mit einem Hauptbrenner und einem zentral darin angeordneten Pilotbrenner, der zum Zünden und/oder zur Stabilisierung des Hauptbrenners dient, wobei der Pilotbrenner ein in den vorhergehenden Abschnitten beschriebener Vormischbrenner ist.
  • Schließlich wird die auf ein Verfahren zum Kühlen einer Brennerspitze eines Vormischbrenners gerichtete Aufgabe gelöst durch ein Verfahren, bei dem Brennstoff in einen Strom eines Sauerstoff enthaltenden Gases eingedüst wird, wobei der Brennstoff zuvor über einen zentral auf einer Hauptachse des Vormischbrenners angeordneten Gasbrennstoffkanal in ein ebenfalls zentral angeordnetes Bauteil geleitet wird und auf eine Innenseite einer Stirnseite des Bauteils strömt und diese dadurch kühlt.
  • Dadurch dass nach der Erfindung nun der Brennstoff zur internen Brennerkühlung verwendet wird, kann beim Gas-only-Betrieb eines Brenners der vorgenannten Art die Heizölbrennerattrappe entfallen. Dadurch ergibt sich auch eine vereinfachte Brennstoffführung im Brennerträgerinnenraum. Insbesondere wird zur Kühlung des Brenners keine Kühlluft mehr benötigt und die Emissionen sind gegenüber dem Brenner nach dem Stand der Technik verringert, da keine ungemischte Luft in den Brennraum geleitet wird. Die Kosten reduzieren sich aus verschiedenen Gründen: es wird keine zusätzliche Ölbrenner-Attrappe benötigt, die aufwändige Fertigung des bisherigen Brennstoffkanals entfällt und die Alitierung wird vereinfacht, da nur noch der gerade, große Innenraum des Brennerträgers alitiert werden muss und nicht mehr die engen, verwinkelten Brennstoffkanäle wie bisher.
  • Auch in betrieblicher Hinsicht bietet die Erfindung Vorteile. Ein verringerter Brennstoff-Druckverlust im Brennerträger verringert auch das Risiko, den Grenzversorgungsdruck zu erreichen. Darüber hinaus liegen mit der Erfindung leicht zu erreichende Brennstoffanschlüsse am stromauf liegenden Ende des Brennerträgers vor, wodurch eine leichte Montage der Brennstoffleitung möglich ist.
  • Schließlich bietet die Erfindung den Vorteil, dass durch Variation des Bauteils in der Brennerspitze die Kühlung an die entsprechenden Anforderungen angepasst werden kann.
  • Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
    • Figur 1
    ein Vormischverbrennungssystem nach dem Stand der Technik mit Hauptbrenner und zentral darin angeordnetem Pilotbrenner und
    Figur 2
    einen Vormischbrenner nach der Erfindung.
  • Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft ein Vormischverbrennungssystem 17 nach dem Stand der Technik.
  • Das Vormischverbrennungssystem 17, das ggf. in Verbindung mit mehreren gleichartigen Systemen beispielsweise in der Brennkammer einer Gasturbinenanlage eingesetzt werden kann, weist eine Hauptachse 2 auf und umfasst einen inneren Pilotbrenner 19 und einen den Pilotbrenner 19 konzentrisch umgebenden Hauptbrenner 18. Sowohl Pilotbrenner 19 als auch Hauptbrenner 18 können wahlweise mit gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffen, wie bspw. Erdgas oder Heizöl, betrieben werden. Der Pilotbrenner 19 umfasst dann als Brennstoffkanäle einen inneren Ölzufuhrkanal (nicht gezeigt) und einen diesen konzentrisch umgebenden inneren, ringförmigen Gaszufuhrkanal 20. Dieser ist wiederum von einem inneren Ringkanal 7 für die Zufuhr von Verbrennungsluft konzentrisch umgeben, der durch einen Außenmantel 3 und einem dazu koaxialen Innenmantel 4, zwischen einem Eintritt 5 und einem Austritt 6 definiert wird.
  • In oder an diesem Ringkanal 7 kann zudem ein geeignetes Zündsystem angeordnet sein (in der Figur nicht dargestellt).
  • Im Ringkanal 7 sind ferner Drallschaufeln 16 angeordnet, welche Brennstoffdüsen 9 zur Zuführung eines Brennstoffes 10 zu einem Strom 8 eines Sauerstoff enthaltenden Gases, typischerweise Luft, aufweisen.
  • Der den Pilotbrenner 19 umgebende Hauptbrenner 18 umfasst einen bezogen auf die Symmetrieachse 2 radial äußeren Ringkanal 21 für die Verbrennungsluft, durch den sich mehrere Drallschaufeln 22 einer Drallbeschaufelung erstrecken. Diese Drallschaufeln 22 weisen als Einlass für Brennstoff ebenfalls Gasdüsen 23 auf, durch die Brenngas in die durch den radial äußeren Ringkanal 21 einströmende Luft eingedüst werden kann.
  • Die Aufgabe des Pilotbrenners 19 besteht darin, einen stabilen Brennbetrieb im Vormischverbrennungssystem 17 aufrecht zu erhalten, da dieses meistens mit einem zu Instabilitäten neigenden Magergemisch betrieben wird.
  • Die Brennstoffpassage besteht im Wesentlichen aus einem Ringverteiler 24 im Brennerträgerflansch 25, daran anschließenden Tieflochbohrungen 26 sowie weiteren Bohrungen 27 in der Brennernabe 28, die direkt zu den einzelnen Schaufeln 16 führen.
  • Da die der Brennkammer zugewandte Spitze 29 des Pilotbrenners 19 im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt ist, muss sie zur Vermeidung von Verzunderungen und etwaiger Beschädigungen gekühlt werden.
  • In Hybrid-Brennern, in denen Gas und Öl verbrannt werden kann, geschieht dies in den Fällen, in denen auf die Öl-Option verzichtet wird, also in den Gas-only-Maschinen, beispielsweise über eine Heizölbrenner-Attrappe 30, die, wie Figur 1 zeigt, zentral im Pilotbrenner 19 angeordnet ist. Die Kühlluft wird dabei aus der Verdichterluft aus dem Plenum vor der Brennerpassage entnommen, durch die Attrappe 30 geleitet und anschließend an der Brennerspitze 29 in den Brennraum geleitet. Hierdurch wird ein isolierter Luftstrom erzeugt, der nicht optimal mit Brennstoff gemischt wird, wodurch ungewünschte Emissionen erzeugt werden.
  • Der in Figur 2 gezeigte Vormischbrenner 1 umgeht sowohl die Nachteile der aufwändigen Fertigung der Brennstoffpassage als auch der Emissionen, indem ein zentral auf der Hauptachse 2 angeordneter Gasbrennstoffkanal 11 vorgesehen ist, der in ein im Wesentlichen auf Höhe des Austritts 6 ebenfalls zentral angeordnetes Bauteil 12 mündet, das so ausgebildet ist, dass der Brennstoff 10 zu einer Innenfläche 13 einer Stirnseite 14 des Bauteils 12 hin geleitet wird und von dem Kanäle 15 zu den Brennstoffdüsen 9 abzweigen.

Claims (6)

  1. Vormischbrenner (1) mit einer Hauptachse (2) und einer bezüglich dieser rotationssymmetrischen Anordnung aus einem Außenmantel (3) und einem dazu koaxialen Innenmantel (4), welche einen von einem Eintritt (5) zu einem Austritt (6) reichenden Ringkanal (7) zur Führung eines Stromes (8) eines Sauerstoff enthaltenden Gases definiert, mit in dem Ringkanal (7) angeordneten Brennstoffdüsen (9) zur Zuführung eines Brennstoffes (10) zu dem Strom (8), dadurch gekennzeichnet, dass ein zentral auf der Hauptachse (2) angeordneter Gasbrennstoffkanal (11) in ein im Wesentlichen auf Höhe des Austritts (6) ebenfalls zentral angeordnetes Bauteil (12) mündet, das so ausgebildet ist, dass der Brennstoff (10) zu einer Innenfläche (13) einer Stirnseite (14) des Bauteils (12) hin geleitet wird und von dem Kanäle (15) zu den Brennstoffdüsen (9) abzweigen.
  2. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 1, wobei das Bauteil (12) so ausgestaltet ist, dass im Betrieb des Vormischbrenners (1) eine Prallkühlung im Bauteil (12) realisiert wird.
  3. Vormischbrenner (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei Drallschaufeln (16) im Ringkanal (7) angeordnet sind.
  4. Vormischbrenner (1) nach Anspruch 3, wobei die Brennstoffdüsen (9) in den Drallschaufeln (16) angeordnet sind.
  5. Vormischverbrennungssystem (17) für eine Gasturbinenbrennkammer, mit einem Hauptbrenner (18) und einem zentral darin angeordneten Pilotbrenner (19), der zum Zünden und/oder zur Stabilisierung des Hauptbrenners (18) dient, wobei der Pilotbrenner (19) ein Vormischbrenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
  6. Verfahren zum Kühlen einer Brennerspitze eines Vormischbrenners (1), bei dem Brennstoff (10) in einen Strom (8) eines Sauerstoff enthaltenden Gases eingedüst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (10) zuvor über einen zentral auf einer Hauptachse (2) des Vormischbrenners (1) angeordneten Gasbrennstoffkanal (11) in ein ebenfalls zentral angeordnetes Bauteil (12) geleitet wird und auf eine Innenfläche (13) einer Stirnseite (14) des Bauteils (12) strömt und diese dadurch kühlt.
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