EP2885582B1

EP2885582B1 - Brenner

Info

Publication number: EP2885582B1
Application number: EP13750036.9A
Authority: EP
Inventors: Axel Widenhorn; Roland STOLL; Dominik LEBKÜCHNER; Thilo KISSEL; Thomas Monz; Jan Zanger; Timo Zornek
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Duerr Systems AG
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Duerr Systems AG
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2018-12-05
Anticipated expiration: 2033-08-13
Also published as: DE102012216080A1; WO2014027005A3; US9982891B2; EP2885582A2; WO2014027005A2; US20150089954A1; US20180238549A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Erzeugen von Heißgas mit einem an eine Turbine anschließbaren Flammrohr, das in einer das Flammrohr umgebenden Luftführungseinrichtung angeordnet ist, in der ein Strömungsweg für Luft ausgebildet ist, und mit einem an einer Basis festgelegten Brennerkopf, der für das Zuführen von mit Luft vermischtem Brennstoff in das Flammrohr mehrere mit dem Strömungsweg für Luft in der Luftführungseinrichtung kommunizierende Düsenkanäle aufweist, in die eine an der Basis festgelegte Brennstoffdüse ragt, wobei die Brennstoffdüsen für das Versorgen mit Brennstoff an ein in der Basis ausgebildetes Brennstoffplenum angeschlossen sind, das mit einer Brennstoff-Zufuhrleitung verbunden werden kann. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Erzeugen von Heißgas.
Die EP 2 213 944 A1 offenbart einen Brenner, der sich insbesondere für das Betreiben von Mikrogasturbinen eignet. Brenner für den Einsatz in Mikrogasturbinen haben einen Brennerkopf, der typischerweise 4 bis 20 Düsenkanäle mit darin angeordneten Brennstoffdüsen enthält, die an einer Brennerflansch-Basis festgelegt sind. In einem rückwärtigen, von dem Brennerkopf abgewandten Abschnitt durchgreifen die Brennstoffdüsen Durchgangsbohrungen in der Brennerflansch-Basis. Die Brennstoffdüsen haben Anschlusseinrichtungen für schlauch- oder rohrförmige Brennstoffleitungen, die in der Regel mit einem außerhalb des Brenners angeordneten Brennstoffverteilerring verbunden sind. Um zu gewährleisten, dass bei derartigen Brennern keine Leckagen auftreten, ist ein sorgfältiges Abdichten der Brennstoffdüsen zu der Brennerflansch-Basis erforderlich. Das hat einen hohen Fertigungs- und Montageaufwand zur Folge.
Aus der US 5,983,642 A ist ein Brenner mit einer Düse bekannt, die für das Zuführen von Brennstoff in einen ersten Brennraum dient. Um diese Düse herum sind Vormischkanäle angeordnet, durch die ein Brennstoff-LuftGemisch in den ersten Brennraum geleitet wird. In diese Vormischkanäle wird die Luft durch Dralldüsen zugeführt.
Dieses Dokument offenbart den Oberbegriff des Anspruchs 1. In der US 2012/0047897 A1 ist ein Brenner beschrieben, in dem das Luft-Brennstoff-Gemisch in einer als ein Pilotbrennraum fungierenden Mischkammer verwirbelt wird.
Aus der EP 1 985 926 A2 ist ein Brenner mit einem Pilotbrennraum und mit einem Luftführungssystem bekannt, welches das drallfreie Einleiten des Luft-Brennstoff-Gemischs in den Pilotbrennraum bewirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brenner zum Erzeugen von Heißgas mit einem an eine Turbine anschließbaren Flammrohr bereitzustellen, der einen robusten Aufbau hat und dabei kostengünstig hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Die Erfindung beruht einerseits auf dem Gedanken, dass ein Brenner, bei dem die Brennstoffdüsen die Basis nicht durchgreifen sondern an einen in der Basis ausgebildeten Ringkanal angeschlossen sind, einen vergleichsweise einfachen, kostengünstigeren Aufbau haben können. Der Brenner kann dann mit einer verringerten Anzahl an Dichtflächen und Dichtungen aufgebaut werden, was das Verringern von Fertigungskosten ermöglicht. Um den Brenner mit Brennstoff zu versorgen ist dann nämlich kein aufwändiges Verteilersystem nötig, mit dem der Brennstoff auf unterschiedliche Brennstoffdüsen verteilt wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Brennern kann so auf eine Vielzahl von Schlauch- und Rohrverbindungen verzichtet werden, die einen hohen Montageaufwand verursachen und nicht nur Sicherheits- sondern auch Umweltprobleme aufwerfen.
Das Brennstoffplenum kann insbesondere als ein in der Basis aufgenommener, in der Basis ausgebildeter Ringkanal sein. Bevorzugt ist das Brennstoffplenum als eine mittels eines Deckelelements abgedeckte kreisförmige Nut auf einer Seite der Basis gestaltet. Die Seite der Basis, auf der die kreisringförmige Nut ausgebildet ist, kann dabei dem Brennraum zu- oder abgewandt sein.
Eine Idee der Erfindung ist insbesondere, die Brennstoffdüsen in dem Brenner an einer den Ringkanal abdeckenden Halteeinrichtung festzulegen. Mit der Halteeinrichtung sind diese Brennstoffdüsen bevorzugt verschweißt oder verschraubt. Ein kostengünstiges Herstellen der Brennstoffdüsen wird ermöglicht, indem diese aus einem vorzugsweise temperaturbeständigen, mit einer Kernbohrung versehenen Stangenmaterial gefertigt sind. Indem die Basis des Brenners als ein Flanschteil ausgebildet wird, ist es möglich, den Brenner mit dem Flanschteil z. B. an dem Druckgehäuse einer Turbine zu befestigen.
Es ist günstig, wenn der Brennerkopf einen Brennerkopfkörper mit mehreren mit der Luftführungseinrichtung kommunizierenden Düsenkanälen aufweist und einen zu dem Flammrohr geöffneten, mit der Luftführungseinrichtung kommunizierenden Pilotbrennraum umgibt. Der Strömungsweg für Luft ist hier möglichst wenigstens abschnittsweise für das Kühlen des Brennerkopfkörpermittels strömender Luft entlang dem Brennerkopf an einer Brennerkopf-Außenfläche geführt. Der Pilotbrennraum kann dann über eine dem Pilotbrennraum zugeordnete Pilot-Brennstoffdüse mit Brennstoff beaufschlagt werden. Durch Zufuhr von Brennstoff durch die Pilot-Brennstoffdüse ist es möglich, den Brenner mit einer Zündeinrichtung zu zünden. Die in dem Pilotbrennraum ausgebildete Flamme dient auch dazu, die Verbrennung in dem Brenner zu stabilisieren. Durch Einstellen der in dem Pilotbrennraum ausgebildeten Flamme ist es darüber hinaus möglich, den Brenner zu steuern bzw. zu regeln und dabei auch die Flamme des Brenners zu stabilisieren.
Der Pilotbrennraum ist bevorzugt in einem an der Basis festgelegten Einsatz ausgebildet, der eine in den Brennerkopf ragende Pilotbrennraumwand hat. Erfindungsgemäß kann die Pilotbrennraumwand mit Luft gekühlt werden, die durch wenigstens einen mit der Luftführungseinrichtung kommunizierenden, zwischen dem Einsatz und dem Brennerkopf ausgebildeten Strömungskanal strömt.
Ein Gedanke der Erfindung besteht auch darin, den Brennerkopfkörper mit der durch die Düsenkanäle strömenden Luft zu kühlen. Hierfür ist es von Vorteil, den Brennerkopfkörper topf- oder trichterförmig und/oder rotationssymmetrisch zu gestalten und bei diesem eine Bodenwand vorzusehen, in der es eine bodenseitige Öffnung für eine in den Brennerkopfkörper ragende Brennstoffdüse gibt. Es ist insbesondere möglich, den Brennstoff mit einer in den Brennerkopfkörper ragenden Brennstoffdüse auch seitlich oder schräg in den Brennraum einzubringen. Von Vorteil ist es, wenn dabei in der Bodenwand mehrere in die bodenseitige Öffnung der Bodenwand des Brennerkopfkörpers mündende, mit der Luftführungseinrichtung kommunizierende Luftkanäle ausgebildet sind, durch die Luft in den Brennerkopfkörper so eingeströmt werden kann, dass sich in dem Pilotbrennraum eine Drallströmung ausbildet. Erfindungsgemäß kann der Brennerkopfkörper auch eine den Pilotbrennraum begrenzende Wand mit einer als Brennraumwandfläche wirkenden Wandfläche aufweisen. Der Brennerkopfkörper wird hier mit Luft gekühlt, die über die Strömungswege für Luft an der Brennerkopf-Außenfläche des Brennerkopfkörpers entlangströmt und die dann durch die Düsenkanäle in den Brennraum gelangt.
Um die thermische Belastung des Brennkopfs gering zu halten, ist es günstig, wenn die Brennraumwandfläche für den Pilotbrennraum mit einer thermischen Schutzschicht überzogen ist.
Die Luftführungseinrichtung umfasst bevorzugt ein an der Basis in einem federelastischen Lager gehaltenes Luftführungsrohr, das für das Ausgleichen von thermischen Ausdehnungen relativ zu der Basis bewegt werden kann. Damit lassen sich die thermischen Spannungen in dem Brenner gering halten. Das federelastische Lager kann eine an der Basis aufgenommene Feder aufweisen, die ein an dem Luftführungsrohr festgelegtes Federbein abstützt. Dabei ist es günstig, wenn das Luftführungsrohr an dem Federbein in einem der Basis zugewandten Abschnitt in einem das Luftführungsrohr übergreifenden topfförmig und dabei vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildeten Leitblech verlagert werden kann, das die durch das Luftführungsrohr eingeführte Luft in die Düsenkanäle umlenkt, um auf diese Weise den Brenner strömungsoptimiert mit Luft zu versorgen. Für das thermische Entkoppeln der Basis von dem Brenner und dem Flammrohr ist es günstig, wenn zwischen dem topfförmig ausgebildeten Leitblech und der Basis eine thermische Isolationsschicht vorgesehen ist.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zum Erzeugen von Heißgas nach Anspruch 14.
Im Rahmen der Erfindung wird dabei die in den Brennraum zugeführte Luft und der in den Brennraum zugeführte Brennstoff bevorzugt als ein technisch vorgemischtes Luft-Brennstoff-Gemisch drallfrei in den Brennraum zugeführt. Insbesondere ist es eine Idee der Erfindung, den Brennerkopfkörper mit der in den Brennraum zugeführten Luft zu kühlen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1: einen Schnitt eines Brenners zum Erzeugen von Heißgas;
Fig. 2: einen Abschnitt des Brenners mit Brennstoffdüsen, einem Brennerflansch und einem Brennerkopf;
Fig. 3: eine Halteeinrichtung für die Brennstoffdüsen des Brenners;
Fig. 4: die Halteeinrichtung mit mehreren Brennstoffdüsen in dem Brennerflansch; und
Fig. 5: einen Abschnitt eines weiteren Brenners mit Brennstoffdüsen, einem Brennerflansch und einem Brennerkopf.

Der in der Fig. 1 gezeigte Brenner 10 ist für das Erzeugen von Heißgas ausgelegt. Der Brenner 10 hat ein Flammrohr 12, das in einer Luftführungseinrichtung 14 gehalten ist und einen Brennraum 15 umgibt. Die Luftführungseinrichtung 14 des Brenners 10 ist an einer als Brennerflansch ausgebildeten Basis 34 festgelegt. Für das Zuführen von mit Luft vermischtem Brennstoff in das Flammrohr 12 enthält der Brenner 10 einen Brennerkopf 16. Der Brennerkopf 16 ist als ein Hohlzylinder gestaltet, der eine Achse 19 hat und eine Vielzahl von in der Zylinderwandung ausgebildete, azimutal zueinander versetzt angeordnete Düsenkanäle 20 mit einer Durchgangsbohrung aufweist, die zu der Achse 19 parallel ist. Diese Düsenkanäle 20 münden in den Brennraum 15. In die Düsenkanäle 20 ragt jeweils eine Brennstoffdüse 17. Das Flammrohr 12 übergreift den Brennerkopf 16 und liegt mit seiner Innenseite an einer als Führungsabschnitt für das Flammrohr 12 wirkenden Partie an der Außenseite des Brennerkopfs 16 an. Das Flammrohr 12 ist an dem Brennerkopf 16 in der Richtung der Achse 19 linearbeweglich geführt, um das Ausgleichen der thermischen Ausdehnung des Flammrohrs 12 bei dem Betrieb des Brenners 10 zu ermöglichen.
In dem Brenner 10 gibt es Strömungswege 21 für Luft, über die durch die Düsenkanäle 20 in dem Brennerkopf 16 die Luft von der Luftführungseinrichtung 14 in den Brennraum 15 eingeströmt werden kann. In den Düsenkanälen 20 umströmt die von hinten über die Luftführungseinrichtung 14 zugeführte Luft die Brennstoffdüse 17 und ummantelt den mit der Brennstoffdüse 17 koaxial in die Düsenkanäle eingedüsten gasförmigen oder auch flüssigen Brennstoff. Die Strömungswege 21 für Luft sind an der Brennerkopf-Außenfläche des Brennerkopfkörpers 18 entlanggeführt, um damit den Brennerkopf 16 bei einem Betreiben des Brenners 10 mit Luft zu kühlen, die entlang der Strömungswege 21 strömt.
In den Düsenkanälen 20 wird das Luft-Brennstoff-Gemisch drallfrei technisch vorgemischt. Das Luft-Brennstoff-Gemisch strömt dann aus den Düsenkanälen 20 mit einem hohen Impuls in den Brennraum 15. Der in den Brennraum 15 eintretende Luft-Brennstoff-Strahl treibt dort eine ausgeprägte innere Rezirkulationszone. Dies sorgt in dem Brennraum 15 für eine effektive Mischung von rezirkuliertem Abgas und Frischgas. Neben diesem positiven Effekt auf die Stabilisierung der Flamme verlangsamt eine solche Einmischung des Abgases die chemischen Reaktionsraten. Folglich werden die chemischen Reaktionen dann über ein größeres Volumen verteilt. Die chemisch-kinetisch kontrollierte volumetrische Verbrennung zeigt deshalb ein nahezu homogenes Temperaturfeld, nahe der adiabaten Temperatur des globalen Äquivalenzverhältnisses. Durch das damit verbundene Vermeiden von Temperaturspitzen können deshalb mit dem Brenner 10 sehr geringe NOx-Emissionen erzielt werden.
Der Brenner 10 hat einen gegenüber dem Brennraum 15 zurückgesetzt angeordneten Pilotbrennraum 22. Der Pilotbrennraum 22 ist in einem Einsatz 24 ausgebildet. Der Einsatz hat eine als Brennraumwand wirkenden Pilotdomwand 25, die sich mit einer den Pilotbrennraum 22 begrenzenden Wandfläche in den Hohlraum des Brennerkopfkörpers 18 des Brennerkopfs 16 erstreckt. Zwischen der Pilotdomwand 25 und dem Brennerkopf 16 gibt es Luft-Strömungskanäle 26, die mit der Luftführungseinrichtung 14 kommunizieren. Durch das Hindurchströmen von Luft in den Luft-Strömungskanälen 26, die über die Luftführungseinrichtung 14 zugeführt wird, ist es möglich, die den Pilotbrennraum 22 umgebene Pilotdomwand 25 konvektiv zu kühlen.
Der Brenner 10 enthält eine zu dem Brennerkopf 16 koaxial angeordnete Pilot-Brennstoffdüse 30, durch die der Pilotbrennraum 22 mit Brennstoff beaufschlagt werden kann, der dort mit Luft verbrannt wird, die durch mit der Luftführungseinrichtung 14 kommunizierende Strömungskanäle 32 einströmt. Es sei bemerkt, dass die Pilot-Brennstoffdüse 30 zu dem Brennerkopf 16 nicht zwingend koaxial angeordnet sein muss, sondern auch so positioniert sein kann, dass der Brennstoff in Bezug auf die Achse 19 schräg in den Pilotbrennraum 22 einströmt. Um den durch die Pilot-Brennstoffdüse 30 zugeführten Brennstoff zu zünden, gibt es in dem Brenner 10 eine elektrische Zündeinrichtung 31.
Die Luftführungseinrichtung 14 enthält ein Luftführungsrohr 27 und umfasst ein topfförmig gestaltetes Leitblech 36, das eine der Basis 34 zugewandte Bodenwand 38 hat, die an einem Isolationsschild 40 anliegt. Um die Strömungsmechanik hier zu verbessern, ist es von Vorteil, wenn in diesem Bereich gegebenenfalls noch weitere Leitbleche angeordnet sind. Das Isolationsschild 40 befindet sich zwischen der Basis 34 und der Bodenwand 38 und dient für das thermische Entkoppeln der Basis 34 von der Luftführungseinrichtung 14, dem Flammrohr 12, dem Brennerkopf 16 und dem Einsatz 24 mit dem Pilotbrennraum 22.
Die Basis 34 ist für das Festlegen des Brenners 10 an dem Druckgehäuse einer Mikrogasturbine (nicht gezeigt) ausgelegt. An der Basis 34 ist die Luftführungseinrichtung 14 in einem federelastischen Lager mit mehreren das Isolationsschild 40 durchgreifenden Federbeinen 42 gehalten, die jeweils gegen eine in einer Ausnehmung 44 an der Basis 34 aufgenommene Feder 46 abgestützt sind. In diesem federelastischen Lager kann das Luftführungsrohr 27 für das Ausgleichen der bei Erwärmung hervorgerufenen thermischen Ausdehnungen relativ zu der Basis 34 entsprechend dem Doppelpfeil 50 in der Richtung der Achse 19 des Brennerkopfs 16 verlagert werden.
Der Brennerkopf 16 und der Einsatz 24 sind mit mehreren, das Isolationsschild 40 durchgreifenden Haltebolzen 48 an der Basis 34 festgelegt.
Die Fig. 2 zeigt einen Abschnitt des Brenners mit den Brennstoffdüsen 17 und der Basis 34. Die Brennstoffdüsen 17 haben eine als Kernbohrung gestaltete Düsenbohrung 29, die als Brennstoff-Düsenkanal für das Zuführen von Brennstoff in den Brennraum 15 wirkt. Die Brennstoffdüsen 17 sind an der Basis 34 gehalten. Sie durchgreifen das Isolationsschild 40 sowie die Bodenwand 38 des Leitblechs 36. Um die Brennstoffdüsen 17 mit Brennstoff zu versorgen, gibt es in der Basis 34 ein Brennstoffplenum. Dieses Brennstoffplenum ist vorliegend als ein mit den Brennstoffdüsen 17 kommunizierender Ringkanal 52 ausgebildet. Der Ringkanal 52 ist geschlossen. Er ist als eine in der Basis 34 ausgebildete, brennraumseitig angeordnete kreisringförmige Nut gestaltet, die mit einem in dem Körper 53 der Basis 34 mittels Verschrauben oder Verschweißen festgelegten ringförmigen Deckelelement 54 abgedeckt ist. Das ringförmige Deckelelement 54 hält die Brennstoffdüsen 17 in einem Düsensitz 33, der in eine Durchgangsbohrung 55 in das Deckelelement 54 ragt. An dem Deckelelement 54 sind die Brennstoffdüsen 17 mittels Verschrauben festgelegt. Die Düsenbohrung 29 der Brennstoffdüsen 17 kommuniziert mit dem Ringkanal 52.
Die Fig. 3 zeigt die Brennstoffdüsen 17 mit dem ringförmigen Deckelelement 54. Die Fig. 4 ist eine Teilansicht der Basis 34 mit mehreren Brennstoffdüsen 17. Die Brennstoffdüsen 17 sind aus einem mit der Kernbohrung versehenen vorzugsweise temperaturbeständigen Stangenmaterial gefertigt. Diese Maßnahme ermöglicht ein Herstellen der Brennstoffdüsen 17 mit einem geringen Fertigungsaufwand. Die Brennstoffdüsen 17 haben in einem zu dem Deckelelement 54 weisenden Abschnitt ein Außengewinde 23, das in den an dem Deckelelement 54 mittels Verschweißen festgelegten Düsensitz 33 eingeschraubt ist. Diese Maßnahme ermöglicht ein einfaches und schnelles Austauschen von Brennstoffdüsen 17 in dem Brenner 10.
Es sei bemerkt, dass die Brennstoffdüsen 17 in einer modifizierten Ausführungsform des Brenners 10 auch mittels Verschweißen an das ringförmige Deckelelement 54 angeschlossen werden können.
Der Ringkanal 52 in der Basis 34 des Brenners 10 ist durch einen Zufuhrkanal 56 mit Brennstoff beaufschlagbar. Der Zufuhrkanal 56 kann mit einem Kupplungselement 58 an eine Brennstoffleitung (nicht gezeigt) angeschlossen werden. Der Ringkanal 52 ist ein Verteilerring für Brennstoff. In einer modifizierten Ausführungsform des Brenners kann der Ringkanal auch als eine mittels eines Deckelelements abgedeckte kreisförmige Nut auf der Seite der Basis 34 gestaltet sein, die dem Brennraum 15 abgewandt ist. In diesem Fall ist es z. B. nicht erforderlich, das Deckelelement mit der Basis zu verschweißen, da bei einem Betrieb des Brenners immer moderate Temperaturen auftreten, bei denen ein Einsatz von üblichen Dichtungen problemlos möglich ist. Der in dem Ringkanal 52 auf die Düsen 17 des Brenners 10 verteilte Brennstoff kann flüssig oder gasförmig sein. Der Ringkanal 52 ist somit ein in die als Brennerflansch ausgebildete Basis 34 integriertes Brennstoffplenum, d. h. der Ringkanal wirkt als ein in dem Körper 53 der Basis 34 aufgenommener Brennstoffverteiler.
Die Fig. 5 zeigt einen Abschnitt eines weiteren Brenners 100 zum Erzeugen von Heißgas mit einem an eine Turbine anschließbaren Flammrohr 112, der einen dem vorstehend anhand der Fig. 1 bis Fig. 4 beschriebenen Brenner 10 entsprechenden Aufbau hat. In der Fig. 5 sind die Baugruppen des Brenners 100, die zu Baugruppen des Brenners 10 gleich sind, mit in Bezug auf die Fig. 1 bis Fig. 4 um die Zahl 100 erhöhten Bezugszeichen kenntlich gemacht.
Anders als bei dem Brenner 10 ist der Pilotbrennraum 122 hier nicht in einem Einsatz ausgebildet. Der Körper 118 des Brennerkopfs 116 in dem Brenner 100 ist hier topf- oder trichterförmig bzw. rotationssymmetrisch gestaltet. Der Körper 118 hat eine Bodenwand 139 mit einer bodenseitigen Öffnung 141 für eine Pilot-Brennstoffdüse 130, die in eine in dem Körper 118 ausgebildete als Vormischstrecke wirkende Mischkammer 143 ragt. Der Körper 118 des Brennerkopfs 116 hat mehrere Luftführungskanäle 145, die in der Bodenwand 139 angeordnet sind und die von der als Vormischstrecke wirkenden Mischkammer 143 ausgehend nach außen verlaufen. Diese Luftführungskanäle 145 sind an den Strömungsweg 121 für Luft in der Luftführungseinrichtung 114 angeschlossen. Die Luftführungskanäle 145 münden dabei in die als Vormischstrecke wirkende Mischkammer 143.
Durch das Einströmen von Luft über die Luftführungskanäle 145 in der als Vormischstrecke wirkenden Mischkammer 143 wird dort eine Drallströmung ausgebildet. Der Körper 118 des Brennerkopfs 116 hat einen Abschnitt mit einer bevorzugt rotationssymmetrischen Pilotbrennraumwand 147, die den Pilotbrennraum 122 umgibt und die eine den Pilotbrennraum 122 begrenzende Wandfläche 151 hat. Die Wandfläche 151 ist eine Brennraumwandfläche für den Pilotbrennraum 122. In der Pilotbrennraumwand 147 sind eine Vielzahl von Düsenkanälen 120 ausgebildet, die jeweils Luft aus der Luftführungseinrichtung 114 erhalten. In diesen Düsenkanälen 120 ist jeweils eine Brennstoffdüse 117 angeordnet. Die dem Pilotbrennraum 122 zugewandte Wandfläche 151 des Brennerkopfkörpers 118 ist mit einer thermischen Schutzschicht 149 überzogen.
Durch die mit dem Strömungsweg 121 zwischen dem Flammrohr 112 und dem Luftführungsrohr 127 strömende Luft, die über die Luftführungskanäle 145 in der als Vormischstrecke wirkenden Mischkammer 143 und durch die Düsenkanäle 120 in den Brennraum gelangt, wird der Brennerkopfkörper 118 bei einem Betreiben des Brenners 100 gekühlt. Dabei leistet auch der aus den Brennstoffdüsen 117 austretende Brennstoff, der durch die Brennstoffdüsen strömt, einen Beitrag zur Kühlung des Brennerkopfkörpers 118. Da sich die Kühlwirkung für den Brennerkopfkörper 118 mit abnehmender Wandstärke verbessert, ist es hier von Vorteil, wenn die Wandstärke der Pilotbrennraumwand 147 des Brennerkopfkörpers 118 möglichst dünn ist.
Zusammenfassend ist Folgendes festzuhalten: Ein Brenner 10 zum Erzeugen von Heißgas hat ein an eine Turbine anschließbares Flammrohr 12. Der Brenner enthält eine das Flammrohr 12 umgebende Luftführungseinrichtung 14, die einen Strömungsweg 21 für Luft aufweist. Der Brenner hat einen an einer Basis 34 festgelegten Brennerkopf 16. Der Brennerkopf 16 weist für das Zuführen von mit Luft vermischtem Brennstoff in das Flammrohr 12 mehrere mit der dem Strömungsweg 21 für Luft in der Luftführungseinrichtung 14 kommunizierende Düsenkanäle 20 auf. In die Düsenkanäle 20 ragt jeweils eine an der Basis 34 festgelegte Brennstoffdüse 17. Die Brennstoffdüsen 17 sind für das Versorgen mit Brennstoff an einen in der Basis 34 ausgebildeten Ringkanal 52 angeschlossen, der mit einer Brennstoff-Zuführleitung verbunden werden kann.

Bezugszeichenliste

10: Brenner
12: Flammrohr
14: Luftführungseinrichtung
15: Brennraum
16: Brennerkopf
17: Brennstoffdüse
18: Brennerkopfkörper
19: Achse
20: Düsenkanal
21: Strömungsweg
22: Pilotbrennraum
23: Außengewinde
24: Einsatz
25: Pilotdomwand
26: Luft-Strömungskanal
27: Luftführungsrohr
28: Pilotdomwand
29: Düsenbohrung
30: Pilot-Brennstoffdüse
32: Strömungskanal
31: Zündeinrichtung
33: Düsensitz
34: Basis
36: Leitblech
38: Bodenwand
40: Isolationsschild
42: Federbein
44: Ausnehmung
46: Feder
48: Haltebolzen
50: Doppelpfeil
52: Ringkanal
53: Körper
54: Deckelelement
55: Durchgangsbohrung
56, 58: Kupplungselement
100: Brenner
112: Flammrohr
114: Luftführungseinrichtung
117: Brennstoffdüse
118: Brennerkopfkörper
120: Düsenkanäle
121: Strömungsweg
122: Pilotbrennraum
130: Pilot-Brennstoffdüse
134: Basis
139: Bodenwand
141: bodenseitige Öffnung
143: Mischkammer
145: Luftführungskanäle
147: Pilotbrennraumwand
149: Schutzschicht
151: Wandfläche

Claims

Brenner (10, 134) zum Erzeugen von Heißgas mit einem an eine Turbine anschließbaren Flammrohr (12, 112) und einer Luftführungseinrichtung (14), wobei das Flammrohr (12, 112) in der es umgebenden Luftführungseinrichtung (14) angeordnet ist, in der ein Strömungsweg (21, 121) für Luft ausgebildet ist, und mit einem an einer Basis (34, 134) festgelegten Brennerkopf (16), der für das Zuführen von mit Luft vermischtem Brennstoff in das Flammrohr (12, 112) mehrere mit dem Strömungsweg (21) für Luft in der Luftführungseinrichtung (14) kommunizierende Düsenkanäle (20, 120) aufweist, die jeweils eine Düsenkanal-Eintrittsöffnung für das Zuführen von Luft haben und in die jeweils eine an einer Basis (34, 134) festgelegte Brennstoffdüse (17, 117) ragt, wobei
die Brennstoffdüsen (17, 117) für das Versorgen mit Brennstoff an ein in der Basis (34, 134) ausgebildetes Brennstoffplenum angeschlossen sind, das mit einer Brennstoff-Zufuhrleitung verbunden werden kann, und wobei
der Brennerkopf (16) einen Brennerkopfkörper (18, 118) hat, in dem die mit dem Strömungsweg (21, 121) für Luft in der Luftführungseinrichtung (14) kommunizierenden Düsenkanäle (20, 120) ausgebildet sind, der einen zu dem Flammrohr (12, 112) geöffneten mit der Luftführungseinrichtung (14) kommunizierenden Pilotbrennraum (22, 122) umgibt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Düsenkanäle (20, 120) in dem Brennerkopfkörper (18, 118) in zu der Basis (34, 134) senkrechten Durchgangsbohrungen verlaufen, die zueinander azimutal versetzt angeordnet sind, wobei die für das Zuführen von in der Luftführungseinrichtung (14) geführter Luft dienende Düsenkanal-Eintrittsöffnung eines jeden Düsenkanals (20, 120) von der in den Düsenkanal (20, 120) ragenden Brennstoffdüse (17, 117) durchsetzt ist und wobei der Brennerkopfkörper (18, 118) eine Bodenwand (139) mit einer bodenseitigen Öffnung für eine Pilot-Brennstoffdüse (130) aufweist, die in eine in dem Brennerkopfkörper (18, 118) ausgebildete, als eine Vormischstrecke wirkende Mischkammer (143) ragt, wobei der Brennerkopfkörper (18, 118) mehrere Luftführungskanäle aufweist, die in der Bodenwand (139) angeordnet sind und die von der Mischkammer (143) ausgehend nach außen verlaufen, wobei diese Luftführungskanäle (145) an den Strömungsweg (121) für Luft in der Luftführungseinrichtung (114) angeschlossen sind und wobei diese Luftführungskanäle (145) in die Mischkammer (143) münden.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotbrennraum (22) in einem an der Basis (34) festgelegten Einsatz (24) ausgebildet ist, der eine Pilotbrennraumwand (25) hat, die mit Luft gekühlt werden kann, die durch wenigstens einen mit dem Strömungsweg (21) für Luft in der Luftführungseinrichtung (14) kommunizierenden Fluidkanal (26) strömt.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopfkörper (118) topfförmig gestaltet ist und einen Abschnitt mit einer den Pilotbrennraum (122) umgebenden Pilotbrennraumwand (147) aufweist, die eine den Pilotbrennraum (122) begrenzende Wandfläche (151) hat.
Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Strömungsweg (121) für Luft in der Luftführungseinrichtung (114) kommunizierenden Düsenkanäle (120) in der Pilotbrennraumwand (147) ausgebildet sind.
Brenner nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumwandfläche (151) für den Pilotbrennraum (122) mit einer thermischen Schutzschicht überzogen ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffplenum als ein in der Basis (34) angeordneter Ringkanal (52) ausgebildet ist, wobei die Brennstoffdüsen (17) an einer das Brennstoffplenum abdeckenden Halteeinrichtung (54) festgelegt sind und mit der Halteeinrichtung (54) verbunden, insbesondere verschweißt oder verschraubt und vorzugsweise aus einem temperaturbeständigen, mit einer Kernbohrung versehenem Stangenmaterial gefertigt sind.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (34) als ein Flanschteil für das Festlegen des Brenners (10) in einem Druckgehäuse ausgebildet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg (21) für Luft wenigstens abschnittsweise für das Kühlen des Brennerkopfkörpers (18) mittels strömender Luft entlang dem Brennerkopf (16) an einer Brennerkopf-Außenfläche geführt ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotbrennraum (22) über eine Pilot-Brennstoffdüse (30) mit Brennstoff beaufschlagt werden kann.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführungseinrichtung (14) ein an der Basis (34) in einem federelastischen Lager gehaltenes Luftführungsrohr (27) umfasst, das für das Ausgleichen von thermischen Ausdehnungen relativ zu der Basis (34) bewegt werden kann.
Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das federelastische Lager eine an der Basis (34) aufgenommene Feder (46) aufweist, die ein an dem Luftführungsrohr (27) festgelegtes Federbein (42) abstützt, wobei das Luftführungsrohr (27) an dem Federbein (42) mit einem der Basis (34) zugewandten Abschnitt in einem das Luftführungsrohr (27) übergreifenden, an der Basis (34) festgelegten, vorzugsweise topfförmig ausgebildeten Leitblech (36) verlagerbar ist, das die durch das Luftführungsrohr (27) zugeführte Luft in die Düsenkanäle (20) umlenkt.
Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leitblech (36) und der Basis (34) ein das Leitblech (36) mit der Luftführungseinrichtung (14) und dem Flammrohr (12) von der Basis (34) thermisch entkoppelndes Isolationsschild (40) vorgesehen ist.
Gasturbinenanlage umfassend eine Gasturbine mit einem Brenner nach einem der vorherigen Ansprüche und mit einer Luftführungseinrichtung, in welcher ein Flammrohr (12, 112) eines Brenners nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.
Verfahren zum Erzeugen von Heißgas, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Bereitstellen eines Brenners (10, 100) mit einem Flammrohr (12, 112) das einen Brennraum (15) umgibt, und mit einem Brennerkopfkörper (18, 118), der einen zu dem Brennraum (15) geöffneten Pilotbrennraum (22, 122) umgibt;

Zuführen von Luft und Eindüsen von Brennstoff in den Pilotbrennraum (22, 122);

Entzünden des in den Pilotbrennraum (22, 122) zugeführten Brennstoffs;

Erzeugen eines in den Brennraum (15) zugeführten Luft-Brennstoff-Gemischs; und

Verbrennen von dem Luft-Brennstoff-Gemisch in dem Brennraum (15),

dadurch gekennzeichnet, dass

der Brennerkopfkörper (18, 118) eine Bodenwand (139) mit einer bodenseitigen Öffnung (141) aufweist, wobei der Brennerkopfkörper (18, 118) mehrere mit einer Luftführungseinrichtung (114) kommunizierende Luftführungskanäle enthält, die in die bodenseitige Öffnung der Bodenwand (139) des Brennerkopfkörpers (18, 118) münden und

die in den Pilotbrennraum (22, 122) zugeführte Luft durch die Luftführungskanäle in der Bodenwand (139) in den Pilotbrennraum (22, 122) mit einer Drallströmung zugeführt wird, wobei

das dem Brennraum (15) zugeführte Luft-Brennstoff-Gemisch drallfrei technisch vorgemischt wird, indem der Brennstoff in Düsenkanäle (20) koaxial eingedüst wird, die einen Abschnitt des Brennerkopfkörpers (18, 118) durchsetzen, wobei die Brennstoffdüsen (17) in die Düsenkanäle (20) ragen und von hinten mit derjenigen Luft umströmt werden, die mit dem Brennstoff das in den Brennraum (15) zugeführte Luft-Brennstoff-Gemisch bildet, wobei die Luft den in die Düsenkanäle (20) eingedüsten Brennstoff ummantelt und dabei den Brennerkopfkörper (18, 118) kühlt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopfkörper (18, 118) mit Luft gekühlt wird, die über Strömungswege an der Brennerkopf-Außenfläche des Brennerkopfkörpers (18, 118) entlangströmt und die dann durch die Düsenkanäle (20, 120) in den Brennraum (15, 115) gelangt.
Verfahren nach einem der Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen einer als Brennraumwand wirkenden Pilotdomwand (25) und dem Abschnitt des Brennerkopfkörpers (18), der von den Düsenkanälen (20) durchsetzt ist, Luft durch Luft-Strömungskanäle (26) hindurchgeströmt wird.