EP4669912A1 - Verbessertes brennerteil und brenner mit einem solchen brennerteil - Google Patents

Verbessertes brennerteil und brenner mit einem solchen brennerteil

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EP4669912A1
EP4669912A1 EP24712437.3A EP24712437A EP4669912A1 EP 4669912 A1 EP4669912 A1 EP 4669912A1 EP 24712437 A EP24712437 A EP 24712437A EP 4669912 A1 EP4669912 A1 EP 4669912A1
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EP
European Patent Office
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vortex generator
burner
burner part
main vortex
main
Prior art date
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Pending
Application number
EP24712437.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Böttcher
Lutz BLÄTTE
Daniel Vogtmann
Louisa Schneider
Kaspar Matthias MALECHA
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4669912A1 publication Critical patent/EP4669912A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D11/38—Nozzles; Cleaning devices therefor
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • F23R3/14—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex by using swirl vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones

Definitions

  • the invention relates to a burner part for use in a burner.
  • the object of the invention is therefore to improve the burner part in order to achieve a reduction in NOx emissions.
  • the object is achieved by a burner part according to the teaching of claim 1 and a burner according to claim 13.
  • Figures 1, 10 each show a sketch of a part of an exemplary burner with burner parts according to the invention
  • Figures 2 to 5 show burner parts according to the prior art
  • Figure 4 shows a section of Figure 1 for a 4-stage burner
  • Figure 5 shows a section of Figure 1 for a 2-stage
  • Figure 7 is a sectional view of Fig. 6,
  • FIGS 12, 13 show in a perspective view an exemplary embodiment of the burner part according to the invention
  • Figure 14 sketches in detail a vortex generator with a fuel nozzle.
  • Figure 1 schematically shows a part of a burner 1 with a burner part 11 according to the invention.
  • Figure 10 shows a part of a burner 1' of another
  • Embodiment of the burner part 11' with vortex generators 17 outlined.
  • the embodiments of the burners 1, 1' according to the invention each comprise a main burner 3 which surrounds an ignition burner 6 in a ring shape.
  • the main burner 3 has an annular flow channel 2 which is delimited by an inner channel wall 4 of the ignition burner 6 and an outer channel wall 5.
  • burner parts 11 (Fig. 2), 11' (Fig. 10) according to the invention are arranged distributed in the circumferential direction.
  • FIGS 2, 3, 4, 5 show burner parts 9, 9' from the prior art in more detail.
  • the burner parts 9, 9' as well as the burner parts 11, 11' according to the invention essentially have the shape of a blade of a turbine blade.
  • the burner parts 9, 9', 11, 11' have a front edge 12, a rear edge 13 and a component wall 14.
  • Fuel nozzles 19 from which the fuel flows are arranged on the respective component walls 14.
  • the four-stage burner part 9 in Figure 2 has an A-inlet 30 for fuel for stage A of combustion and a B-inlet 33 for stage B of combustion.
  • the two-stage burner part 9' in Figure 3 has only the A-inlet 41.
  • Figure 4 shows a cross-section of the burner part 9 in the installed state.
  • Each level has its own access.
  • Figure 5 shows a cross-sectional view of the burner part 9' for a two-stage burner according to Figure 3, which, however, has only one upstream cavity 42 and only one access 41.
  • a burner part according to the invention is shown in Figure 6 (burner part 11), 7 (in cross section for burner parts 11, 11').
  • the burner part 11, 11' has a stage A 40 and a stage B 43, which, however, has a single, common, upstream cavity 83 and a single access 81 ( Fig 7 ).
  • the fuel stages (A + B) have the same feed channel or cavity 83 (Fig. 7) according to a four-stage variant.
  • Stage B 43 according to Figure 7 has the same mass flow and the same penetration depth as in the 4-stage design ( Figure 4 ).
  • One possibility is to use an additional aperture 50 in the area of step B 43, which enables these properties.
  • Figure 9 shows the aperture 50 in an enlarged view.
  • the aperture 50 is introduced into an annular recess 53 (Fig. 8) at the beginning of the step B 43.
  • the orifice 50 controls the fuel in terms of mass flow and penetration depth without valves and without a separate cavity.
  • Different mass flows of the B-stage can be set using different orifices.
  • Burner parts 9 ' in a two-stage variant according to Figure 5 can also be converted into the variant according to the invention.
  • the burner part of the present type is intended as a component of a burner.
  • the type of burner 1, 1' is initially irrelevant, however the burner part is advantageously used in a burner of a gas turbine. It is obvious that the burner should be arranged on the upstream side of a combustion chamber.
  • the burner has a flow channel in which combustion air flows in a flow direction from the upstream side to the downstream side.
  • the flow direction of the combustion air defines a flow direction.
  • the burner part is deliberately arranged within the Flow channel of the burner, so that here too the flow direction, the inflow side and the outflow side apply.
  • a transverse direction is defined as a direction transverse to the flow direction.
  • the burner part When the burner part is arranged in the flow channel, it has a leading edge on the upstream side and a trailing edge on the downstream side. The leading edge and the trailing edge are each at the end of the burner part.
  • the burner part further comprises a component wall which extends in the flow direction from the leading edge to the trailing edge. The component wall extends further in the transverse direction from a first wall end to an opposite second wall end. When arranged in the flow channel, the combustion air flows along the component wall.
  • vortex generators are arranged on the component wall that protrudes into the flow channel.
  • the vortex generators (in the sense of the invention, regardless of whether others are present elsewhere) are arranged close to the front edge and spaced apart from one another in the transverse direction. A position close to the front edge is assumed if the respective vortex generator is arranged at the same transverse position within an edge section of 20% of the distance from the front edge to the rear edge.
  • the vortex generators are then divided into a group of main vortex generators and an additional vortex generator.
  • a first main vortex generator is arranged as one of the main vortex generators on the side facing the first wall end.
  • a second main vortex generator is arranged next to the first vortex generator.
  • the burner component also comprises a number of fuel nozzles.
  • the fuel nozzles (in the sense of invention, regardless of whether others are present elsewhere) are each arranged downstream of a main vortex generator. This means that there is always the arrangement of a main vortex generator next to the leading edge together with a fuel nozzle downstream of the respective main vortex generator.
  • the additional vortex generator is located between the first wall end and the first main vortex generator. If the additional vortex generator is too large, the improvement provided by the additional vortex generator becomes a disadvantage for the mixing of the fuel with the combustion air. Therefore, the height of the additional vortex generator above the component wall must be less than the height of the adjacent first main vortex generator.
  • the vortex generators can have different shapes, but it is advantageous to choose a triangular shape with a leading curve on the combustion wall on the upstream side and a trailing curve across the combustion wall on the downstream side.
  • the height of the vortex generators increases from the inflow side to the outflow side.
  • the vortex generator advantageously has two additional opposite side surfaces, each of which extends from the drag curve to one of the two ends of the guide curve.
  • the vortex generators main vortex generator and additional vortex generator
  • the vortex generators it is also advantageous to arrange them close to or on the leading edge. Given the different sizes of the vortex generators and their preferred arrangement with the trailing curve at the same position in the direction of flow, it is obvious that the largest main vortex generator is advantageously arranged such that the distance from the leading edge to at least one leading curve is less than 10% of the distance from the leading edge to the respective trailing curve of the largest main vortex generator.
  • a third vortex generator is arranged next to the second vortex generator on the side facing the second wall end, and a fourth vortex generator is arranged next to the third vortex generator on the side facing the second wall end. If necessary, a fifth vortex generator is arranged next to the fourth vortex generator on the side facing the second wall end.
  • main vortex generator is larger than the second
  • main vortex generator and the fourth main vortex generator is larger than the third main vortex generator .
  • the additional vortex generator without fuel nozzle it is advantageous to arrange it in the middle between the first wall end and the first main vortex generator. This is assumed to be given if the position is within a tolerance of 15% of the distance from the first wall end to the first main vortex generator.
  • the first main vortex generator is also advantageous to arrange the first main vortex generator at half the distance from the first wall end to the second main vortex generator.
  • the preferred position is when the first main vortex generator is arranged in the middle between the first wall end and the second main vortex generator with a tolerance of 15% of the distance from the first wall end to the second main vortex generator.
  • the preferred third main vortex generator at a distance from the second main vortex generator which is at least 1.2 times and at most 1.5 times the distance between the second main vortex generator and the first main vortex generator. It is advantageous for the fuel nozzles to be arranged close to the respective main vortex generators. Therefore, the distance between the vortex generator and the respective fuel nozzle should be less than half the length of the vortex generator. In particular, it is preferred that the distance from the respective main vortex generator to the center of the fuel nozzle is less than half the distance between the front curve and the rear curve of the respective main vortex generator.
  • the burner part which is deliberately arranged in a flow channel, could also be designed differently (except for the component wall with the vortex generators and the fuel nozzles). However, it is advantageous to design the burner part in the form of a blade. This enables the combustion air flow to be guided with little resistance.
  • a preferred embodiment of the burner according to the invention has a central burner axis and an annular flow channel which extends from an upstream side to a downstream side.
  • the flow channel is delimited on the radial inside by an inner flow channel wall and on the radial outside by an outer flow channel wall.
  • a number of burner components are arranged within the flow channel in accordance with the previous description.
  • the first wall end of the burner parts is attached to the inner flow channel wall and the second wall end of the burner part is attached to the outer flow channel wall.
  • the burner part is possible to realize the burner part as a separate part, which is mounted, for example, between the inner channel wall and the outer channel wall.
  • Other manufacturing options are of course possible to Burner part to combine with the inner channel wall and the outer channel wall.
  • the burner part 11' has the shape of a wing with a component wall 14 which extends from a front edge 12 of the burner part to a rear edge 13 of the burner part.
  • the component wall is further delimited by a first side end 15 and an opposite second side end 16.
  • the direction from the front edge on an upstream side to the rear edge 13 on the downstream side defines a flow direction.
  • a transverse direction from the first side end 15 to the second side end 16 is defined transversely to the flow direction.
  • a series of vortex generators 17 are arranged near the leading edge 12 .
  • main vortex generators 17a, 17b, 17c and 17d There are four main vortex generators 17a, 17b, 17c and 17d. Their size and height increases from a first main vortex generator 17a on the side facing the first wall end 15 through the second main vortex generator 17b to the third main vortex generator 17c.
  • the fourth main vortex generator 17d has a reduced size compared to the change from the first main vortex generator 17a to the third main vortex generator 17c.
  • the vortex generators 17, 18 are arranged with their downstream end at the same position in the flow direction. This results in the third main vortex generator 17c being the largest and having its upstream end very close to the leading edge 12, thereby increasing the distance from the leading edge 12 to the first main vortex generator 17a (and also to the fourth main vortex generator 17d of reduced size).
  • the main vortex generators 17 are characterized in that a fuel nozzle 19a-19d is arranged downstream of them on each main vortex generator 17a-17d. As can be seen, the distance from the fuel nozzles 19 to the respective main vortex generator 17 is substantially smaller than the size of the vortex generators 17 .
  • the improved mixing is achieved by the additional vortex generator 18, which is arranged between the first main vortex generator 17a and the first wall end 15. In contrast to the main vortex generators 17, no fuel nozzle is arranged on the additional vortex generator 18. Furthermore, the size of the additional vortex generator 18 is reduced compared to the first main vortex generator 17a.
  • FIG 14 shows a detailed view of a main vortex generator 17 arranged on the component wall 14.
  • the main vortex generator 17 has a triangular shape with a leading curve 22 as a transition from an upper side 24 of the main vortex generator 17 to the component wall 14 and a trailing curve 23 which runs transversely to the component wall and thus defines the height of the main vortex generator 17. This leads to two opposite side walls 25 which extend from the trailing curve 23 to one of the two opposite ends of the guide curve 22.
  • a fuel nozzle 19 is arranged downstream of the main vortex generator 17.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennerteil (11) zur Verwendung in einem Brenner (1), das innerhalb eines Strömungskanals (2) mit einer Strömungsrichtung angeordnet ist, mit einer stromaufwärtigen Vorderkante (12) und einer stromabwärtigen Hinterkante (13), mit einer Bauteilwand (14), die sich von der Vorderkante (12) zur Hinterkante (13) und in einer Querrichtung quer zur Strömungsrichtung von einem ersten Wandende (15) zu einem gegenüberliegenden zweiten Wandende (16) erstreckt, umfassend zwei Stufen (40, 43) einer Verbrennung, wobei die zwei Stufen (40, 43) über einen gemeinsamen Hohlraum (83) versorgt werden.

Description

Verbessertes Brennerteil und Brenner mit einem solchen
Brennerteil
Die Erfindung betri f ft ein Brennerteil zur Verwendung in einem Brenner .
In den neueren Versionen von Gasturbinen wird eine höhere Turbineneinlasstemperatur und höhere Temperaturen in der Verbrennungs zone ( TiTiso ; TPZ ) und ein steigender Massenstrom bei gleichzeitig niedrigen NOx Emissionen erreicht . Hierzu wurde ein geändertes und verbessertes Brennerteil für den Hauptbrenner entwickelt und erfolgreich getestet und eingesetzt .
Um mit bereits im Einsatz stehenden Maschinen wettbewerbs fähig zu bleiben, müssen diese Vorgaben ebenfalls erreicht werden .
Jedoch ist dieser neue Brennertyp nur in einer vierstufigen Variante verfügbar, was in Servicemaschinen auf Grund mit einer 2 Stufen Variante ( „Pilot" und „Mainburner" ) nicht wirtschaftlich einsetzbar /ersetzbar ist .
Für eine günstige Verbrennung mit dem Ziel , Schadstof fe weitestgehend zu vermeiden, ist es unerlässlich, dass vor der Verbrennung des Brennstof fs eine homogene Vermischung des Brennstof fs mit der Verbrennungsluft stattfindet . Um dies zu erreichen, werden im Stand der Technik verschiedene Lösungen eingesetzt . In vielen Fällen basieren diese auf der Erzeugung einer Turbulenz zwischen der Verbrennungsluft und dem Brennstof f . Obwohl Turbulenzen zu Widerständen in der Strömung führen, ist es in der Regel nicht möglich, die gewünschte weitgehend Schadstof f freie Verbrennung ohne Turbulenzen zu erreichen . Um die Verbrennungsluft mit dem Brennstof f zu vermischen, werden in der Regel Strömungselemente im Strömungsweg angeordnet , die die Strömung umlenken und Verwirbelungen erzeugen . In vielen Fällen werden dazu schaufelartige Strukturen verwendet . Die Die DE 10 2014 207 428 Al of fenbart ein dreistufigen Brenner, bei dem über einen Zugang auf der Saug- und Druckseite der Drallschaufel eine Reihe von Öf fnungen gebildet sind und dadurch 2 Stufen gebildet sind .
Weiterhin ist es bekannt , auf der Oberfläche entlang des Strömungsweges Störkonturen anzuordnen, die eine Verwirbelung der Verbrennungsluft bewirken . So ist es beispielsweise bekannt , an der Wand eines Strömungskanals sogenannte Wirbelgeneratoren anzuordnen, die entsprechend in den Strömungskanal hineinragen .
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verringerte NOx Emissionen in bestehenden Anlagen zu erreichen .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Brennerteil so zu verbessern, um eine Reduzierung der NOx Emissionen zu erzielen .
Die Aufgabe wird durch ein Brennerteil gemäß der Lehre des Anspruchs 1 und einem Brenner gemäß Anspruch 13 gelöst .
Vorteilhafte Aus führungs formen sind Gegenstand der Unteransprüche .
Die Unteransprüche können beliebig miteinander kombiniert werden, um weitere Vorteile zu erzielen .
In den folgenden Figuren werden Beispiele für ein erfindungsgemäße Brennerteile und deren Verwendung in einem Brenner gezeigt .
Es zeigen
Figuren 1 , 10 j eweils ski z zenhaft einen Teil eines beispielhaften Brenners mit erfindungsgemäße Brennerteilen, Figuren 2 bis 5 Brennerteile nach dem Stand der Technik, Figur 4 einen Schnitt von Figur 1 für einen 4-stufigen Brenner, Figur 5 einen Schnitt von Figur 1 für einen 2-stufigen
Brenner,
Figuren 6, 11 erfindungsgemäße Brennerteile und
Figur 7 eine Schnittdarstellung von Fig. 6,
Figur 8, 9 Anordnungen einer Blende,
Figur 12, 13 zeigen in einer perspektivischen Ansicht eine beispielhafte Aus führungs form des erfindungsgemäßen Brennerteils ,
Figur 14 skizziert im Detail einen Wirbelgenerator mit einer Brennstof fdüse .
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
In Figur 1 ist schematisch ein Teil eines Brenners 1 mit einem erfindungsgemäßen Brennerteil 11 skizziert.
Die Erfindung ergibt sich aber größtenteils erst aus dem Inneren des Brennerteils 11. Daher entspricht dies auch einer Anordnung nach dem Stand der Technik
In Figur 10 ist ein Teil eines Brenners 1' einer weiteren
Aus führungs form des Brennerteils 11' mit Wirbelgeneratoren 17 skizziert .
Die Aus führungs formen der erfindungsgemäßen Brenner 1, 1' umfassen jeweils einen Hauptbrenner 3, der einen Zündbrenner 6 ringförmig umgibt.
Der Hauptbrenner 3 weist einen ringförmigen Strömungskanal 2 auf, der durch eine innere Kanalwand 4 des Zündbrenners 6 und eine äußere Kanalwand 5 begrenzt ist.
Innerhalb des Strömungskanals 2 sind mehrere erfindungsgemäße Brennerteile 11 (Fig. 2) , 11' (Fig. 10) in Umfangsrichtung verteilt angeordnet.
In den Figuren 2, 3, 4, 5 sind Brennerteile 9, 9' aus dem Stand der Technik näher dargestellt.
Die Brennerteile 9, 9' als auch die die erfindungsgemäßen Brennerteile 11, 11' weisen im Wesentlichen die Form eines Schaufelblatts einer Turbinenschaufel auf.
Die Brennerteile 9, 9', 11, 11' weisen eine Vorderkante 12, eine Hinterkante 13 und eine Bauteilwand 14 auf.
Auf den jeweiligen Bauteilwänden 14 sind Brennstof fdüsen 19 angeordnet, aus denen der Brennstoff strömt.
Das vierstufige Brennerteil 9 in Figur 2 hat einen A-Zugang 30 für Brennstoff für die Stufe A einer Verbrennung und einen B-Zugang 33 für die Stufe B einer Verbrennung.
Das zweistufige Brennerteil 9' in Figur 3 hat nur den A- Zugang 41.
In Figur 4 ist das Brennerteil 9 querschnittsmäßig im eingebauten Zustand zu sehen.
Zu erkennen sind die zwei vorgelagerten Hohlräume (Speisekanal für Brennstoff) 32, 35 für einen A-Zugang 30 (32) bzw. einen B-Zugang 33 (35) , die den Brennstoff für die Stufe A und die Stufe B zu führen.
Jede Stufe hat seinen eigenen Zugang.
Die entsprechenden Löcher oder Düsen, aus denen der Brennstoff in den Kanal 2 austritt, sind hier nicht näher dargestellt, sind aber den anderen Figuren zu erkennen (dies gilt für alle Zeichnungen) .
Außerdem gibt es noch einen Zugang 36 für einen Ölbrenner.
In Figur 5 ist das Brennerteil 9' für einen zweistufigen Brenner gemäß Figur 3 querschnittsmäßig dargestellt, das aber nur einen vorgelagerten Hohlraum 42 und nur einen Zugang 41 aufweist .
Ein erfindungsgemäßes Brennerteil ist in Figur 6 (Brennerteil 11) , 7 (im Querschnitt für Brennerteile 11, 11') dargestellt. Das Brennerteil 11, 11' weist neben einer Stufe A 40 ebenfalls eine Stufe B 43 auf, die aber über einen einzigen, gemeinsamen, vorgelagerten Hohlraum 83 und einen einzigen Zugang 81 versorgt werden ( Fig 7 ) .
Im erfindungsgemäßen Brennerteil 11 , 11 ' haben die Brennstof f stuf en (A + B ) gemäß einer vierstufigen Variante den gleichen Speisekanal oder Hohlraum 83 ( Fig . 7 ) .
Die Stufe B 43 gemäß Figur 7 weist denselben Massenstrom und dieselbe Eindringtiefe wie im 4-stufigen Design ( Figur 4 ) auf .
Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten . Eine Möglichkeit ist die Verwendung einer zusätzlichen Blende 50 im Bereich der Stufe B 43 , die diese Eigenschaften ermöglicht .
Figur 9 zeigt die Blende 50 in vergrößerter Darstellung . Vorzugsweise wird die Blende 50 in eine ringförmige Vertiefung 53 ( Fig . 8 ) am Anfang der Stufe B 43 eingebracht
( Fig . 9 ) .
Die Blende 50 steuert den Brennstof f bzgl . Massenstrom und Eindringtiefe ohne Ventile und ohne separaten Hohlraum .
Über unterschiedliche Blenden können verschiedene Massenströme der B-Stufe eingestellt werden .
Brennerteile 9 ' in zweistufiger Variante gemäß Figur 5 können auch in die erfindungsgemäße Variante umgearbeitet werden .
Das Brennerteil der vorliegenden Art ist als Bestandteil eines Brenners vorgesehen . Die Art des Brenners 1 , 1 ' ist zunächst unerheblich, j edoch wird das Brennerteil vorteilhaft in einem Brenner einer Gasturbine eingesetzt . Dabei ist es naheliegend, dass der Brenner auf der stromaufwärtigen Seite einer Brennkammer angeordnet werden soll . In diesem Fall weist der Brenner einen Strömungskanal auf , in dem Verbrennungsluft in einer Strömungsrichtung von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite strömt . Die Strömungsrichtung der Verbrennungsluft definiert eine Strömungsrichtung . Das Brennerteil ist bewusst innerhalb des Strömungskanals des Brenners angeordnet , so dass auch hier die Strömungsrichtung, die Anströmseite und die Abströmseite gilt . Als nächstes wird eine Querrichtung als Richtung quer zur Strömungsrichtung definiert .
Bei der Anordnung des Brennerteils im Strömungskanal hat es auf der stromaufwärts gelegenen Seite eine Vorderkante und auf der stromabwärts gelegenen Seite eine Hinterkante . Die Vorderkante und die Hinterkante sind j eweils am Ende des Brennerteils gemeint . Das Brennerteil umfasst ferner eine Bauteilwand, die sich in Strömungsrichtung von der Vorderkante zur Hinterkante erstreckt . Die Bauteilwand erstreckt sich weiter in der Querrichtung von einem ersten Wandende zu einem gegenüberliegenden zweiten Wandende . Bei der Anordnung im Strömungskanal strömt die Verbrennungsluft entlang der Bauteilwand .
Zur Verbesserung der Durchmischung des Brennstof fs in der Verbrennungsluft sind an der in den Strömungskanal hineinragenden Bauteilwand mehrere Wirbelgeneratoren angeordnet . Dabei sind die Wirbelerzeuger ( im Sinne der Erfindung, unabhängig davon, ob weitere an anderer Stelle vorhanden sind) nahe der Vorderkante und in Querrichtung voneinander beabstandet angeordnet . Eine Position nahe der Vorderkante wird angenommen, wenn der j eweilige Wirbelgenerator innerhalb eines Kantenabschnitts von 20% des Abstands von der Vorderkante zur Hinterkante an der gleichen Querposition angeordnet ist .
Anschließend sind die Wirbelgeneratoren in eine Gruppe von Hauptwirbelgeneratoren und einen Zusatzwirbelgenerator zu unterteilen . Dabei ist ein erster Hauptwirbelgenerator als einer der Hauptwirbelgeneratoren an der dem ersten Wandende zugewandten Seite angeordnet . Ein zweiter Hauptwirbelerzeuger ist neben dem ersten Wirbelerzeuger angeordnet .
Die Brennerkomponente umfasst ferner eine Anzahl von Brennstof fdüsen . Dabei sind die Brennstof fdüsen ( im Sinne der Erfindung, unabhängig davon, ob weitere an anderer Stelle vorhanden sind) j eweils stromabwärts eines Hauptwirbelerzeugers angeordnet . Das heißt , es gibt immer die Anordnung eines Hauptwirbelgenerators neben der Vorderkante zusammen mit einer Brennstof fdüse stromabwärts des j eweiligen Hauptwirbelgenerators .
Auch wenn die Anordnung einer Kraftstof fdüse stromabwärts eines Wirbelgenerators an sich vorteilhaft ist , hat sich gezeigt , dass mit einem zusätzlichen Wirbelgenerator ohne Kraftstof fdüse eine weitere Verbesserung der Durchmischung erreicht werden kann . Der Zusatzwirbelgenerator befindet sich dabei zwischen dem ersten Wandende und dem ersten Hauptwirbelgenerator . I st der Zusatzwirbelgenerator zu groß dimensioniert , wird die Verbesserung durch den Zusatzwirbelgenerator zum Nachteil für die Vermischung des Brennstof fs mit der Verbrennungsluft . Daher muss die Höhe des Zusatzwirbelgenerators über der Bauteilwand geringer sein als die Höhe des benachbarten ersten Hauptwirbelgenerators .
Die Wirbelerzeuger können unterschiedlich geformt sein, wobei es vorteilhaft ist , eine dreieckige Form zu wählen, mit einer vorlaufenden Kurve an der Verbrennungswand auf der stromaufwärtigen Seite und einer nachlaufenden Kurve quer zur Verbrennungswand auf der stromabwärtigen Seite . Dabei nimmt die Höhe der Wirbelgeneratoren von der Anströmseite zur Abströmseite hin zu .
Dies führt vorteilhaft dazu, dass sich die Oberseite der Wirbelgeneratoren von der vorderen Kurve bis zum freien Ende der hinteren Kurve erstreckt . Die Höhe des Wirbelgenerators ist somit durch den Abstand von der Bauteilwand bis zum freien Ende der Schleppkurve definiert . Gemäß der dreieckigen Bauform weist der Wirbelgenerator vorteilhaft zwei weitere gegenüberliegende Seitenflächen auf , die sich j eweils von der Schleppkurve zu einem der beiden Enden der Leitkurve erstrecken . Hinsichtlich der Position der Wirbelgeneratoren (Hauptwirbelgenerator und Zusatzwirbelgenerator ) nahe der Vorderkante ist es weiterhin vorteilhaft , diese in gleicher Position zur Strömungsrichtung anzuordnen . Dabei ist es besonders vorteilhaft , wenn die Hinterkante der Wirbelgeneratoren j eweils den gleichen Abstand zur Vorderkante hat (was angenommen wird, wenn die Abstände in einem Bereich von +/- 10% liegen) .
Hinsichtlich der Anordnung der Wirbelgeneratoren ist es weiterhin von Vorteil , sie nahe oder an der Vorderkante anzuordnen . Bei gegebener unterschiedlicher Größe der Wirbelerzeuger und deren bevorzugter Anordnung mit der Schleppkurve an gleicher Position in Strömungsrichtung ist es of fensichtlich, dass der größte Hauptwirbelerzeuger vorteilhaft so angeordnet ist , dass der Abstand von der Vorderkante zu mindestens einer Vorderkurve weniger als 10% des Abstandes von der Vorderkante zur j eweiligen Schleppkurve des größten Hauptwirbelerzeugers beträgt .
In Abhängigkeit von der Größe des Brennerteils , insbesondere der Breite in Querrichtung vom ersten Wandende zum zweiten Wandende , ist es vorteilhaft , mindestens drei und höchstens sechs Hauptwirbelerzeuger mit j eweils einer Brennstof fdüse anzuordnen, die stromabwärts der j eweiligen Hauptwirbelgenerator . Dabei ist es besonders vorteilhaft , vier oder fünf Hauptwirbelerzeuger zu verwenden . So ist neben dem zweiten Wirbelerzeuger auf der dem zweiten Wandende zugewandten Seite ein dritter Wirbelerzeuger und neben dem dritten Wirbelerzeuger auf der dem zweiten Wandende zugewandten Seite ein vierter Wirbelerzeuger angeordnet . Gegebenenfalls ist neben dem vierten Wirbelerzeuger auf der dem zweiten Wandende zugewandten Seite ein fünfter Wirbelerzeuger angeordnet .
Bei Verwendung eines dritten und insbesondere eines vierten Hauptwirbelerzeugers ist es vorteilhaft , die Größe ausgehend vom ersten Hauptwirbelerzeuger über den zweiten Hauptwirbelerzeuger weiter zu erhöhen, so dass der dritte
Hauptwirbelerzeuger größer ist als der zweite
Hauptwirbelerzeuger und der vierte Hauptwirbelerzeuger größer ist als der dritte Hauptwirbelerzeuger .
Hinsichtlich der weiteren konkreten Position des Zusatzwirbelgenerators ohne Brennstof fdüse ist es vorteilhaft , diesen in der Mitte zwischen dem ersten Wandende und dem ersten Hauptwirbelgenerator anzuordnen . Dies wird als gegeben angenommen, wenn die Position innerhalb einer Toleranz von 15% des Abstandes vom ersten Wandende zum ersten Hauptwirbelgenerator liegt .
Es ist zu beachten, dass für die Position eines Wirbelgenerators in Querrichtung die Mittel- oder Schleppkurve des Wirbelgenerators betrachtet wird .
Bei dieser Anordnung des Zusatzwirbelgenerators in der Häl fte des Abstandes vom ersten Wandende zum ersten Hauptwirbelgenerator ist es weiterhin vorteilhaft , den ersten Hauptwirbelgenerator in der Häl fte des Abstandes vom ersten Wandende zum zweiten Hauptwirbelgenerator anzuordnen . Auch hier wird davon ausgegangen, dass die bevorzugte Position gegeben ist , wenn der erste Hauptwirbelerzeuger in der Mitte zwischen dem ersten Wandende und dem zweiten Hauptwirbelerzeuger mit einer Toleranz von 15% des Abstandes vom ersten Wandende zum zweiten Hauptwirbelerzeuger angeordnet ist .
Da die Wirkung bei dieser Anordnung des Zusatzwirbelgenerators bei j edem weiteren Hauptwirbelgenerator abnimmt , ist es bevorzugt , den bevorzugten dritten Hauptwirbelgenerator in einem Abstand zum zweiten Hauptwirbelgenerator anzuordnen, der mindestens das 1 , 2- fache und höchstens das 1 , 5- fache des Abstands zwischen dem zweiten Hauptwirbelgenerator und dem ersten Hauptwirbelgenerator beträgt . Bei den Brennstof fdüsen ist es vorteilhaft , sie in der Nähe der j eweiligen Hauptwirbelgeneratoren anzuordnen . Daher sollte der Abstand zwischen dem Wirbelgenerator und der j eweiligen Brennstof fdüse weniger als die Häl fte der Länge des Wirbelgenerators betragen . Insbesondere ist es bevorzugt , dass der Abstand vom j eweiligen Hauptwirbelgenerator zur Mitte der Brennstof fdüse kleiner ist als die Häl fte des Abstandes zwischen der vorderen Kurve und der hinteren Kurve des j eweiligen Hauptwirbelgenerators .
Das bewusst in einem Strömungskanal angeordnete Brennerteil könnte auch anders gestaltet werden ( außer der Bauteilwand mit den Wirbelgeneratoren und den Brennstof fdüsen) . Es ist j edoch vorteilhaft , das Brennerteil in Form einer Schaufel aus zuführen . Dies ermöglicht die widerstandsarme Führung des Verbrennungsluftstroms .
Eine bevorzugte Aus führungs form des erfindungsgemäßen Brenners hat eine zentrale Brennerachse und einen ringförmigen Strömungskanal , der sich von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite erstreckt . Der Strömungskanal wird an der radialen Innenseite durch eine innere Strömungskanalwand und an der radialen Außenseite durch eine äußere Strömungskanalwand begrenzt . Innerhalb des Strömungskanals sind dabei mehrere Brennerkomponenten gemäß der vorangegangenen Beschreibung angeordnet . Das erste Wandende der Brennerteile ist an der inneren Strömungskanalwand und das zweite Wandende des Brennerteils ist an der äußeren Strömungskanalwand befestigt .
Natürlich ist es möglich, das Brennerteil als separates Teil zu realisieren, das z . B . zwischen der inneren Kanalwand und der äußeren Kanalwand montiert ist . Andererseits ist es möglich, den Brenner mit der inneren Kanalwand und der äußeren Kanalwand und den Brennerteilen integral zu bauen, z . B . durch additive Fertigung . Weitere Fertigungsmöglichkeiten sind natürlich möglich, um das Brennerteil mit der inneren Kanalwand und der äußeren Kanalwand zu kombinieren .
Wie in Figur 11 zu erkennen ist , hat das Brennerteil 11 ' die Form eines Flügels mit einer Bauteilwand 14 , die sich von einer Vorderkante 12 des Brennerteils zu einer Hinterkante 13 des Brennerteils erstreckt . Die Bauteilwand wird ferner durch ein erstes Seitenende 15 und ein gegenüberliegendes zweites Seitenende 16 begrenzt . Die Richtung von der Vorderkante an einer stromaufwärtigen Seite zur Hinterkante 13 an der stromabwärtigen Seite definiert eine Strömungsrichtung . Quer zur Strömungsrichtung ist eine Querrichtung von dem ersten Seitenende 15 zu dem zweiten Seitenende 16 definiert .
Wie in den Figuren 11 zu sehen ist , sind nahe der Vorderkante 12 eine Reihe von Wirbelgeneratoren 17 angeordnet .
Zu den Figuren 12 , 13 : Hier gibt es vier Hauptwirbelerzeuger 17a, 17b, 17c und 17d . Ihre Größe und Höhe nimmt von einem ersten Hauptwirbelgenerator 17a an der dem ersten Wandende 15 zugewandten Seite über den zweiten Hauptwirbelgenerator 17b bis zum dritten Hauptwirbelgenerator 17c zu . Der vierte Hauptwirbelerzeuger 17d hat gegenüber dem Wechsel vom ersten Hauptwirbelerzeuger 17a zum dritten Hauptwirbelerzeuger 17c eine verringerte Größe . In dieser Aus führungs form sind die Wirbelgeneratoren 17 , 18 mit ihrem stromabwärtigen Ende an der gleichen Position in Strömungsrichtung angeordnet . Dies hat zur Folge , dass der dritte Hauptwirbelgenerator 17c als größter mit seinem stromaufwärtigen Ende sehr nahe an der Vorderkante 12 angeordnet ist , wodurch sich der Abstand zur Vorderkante 12 zum ersten Hauptwirbelgenerator 17a (und auch zum vierten Hauptwirbelgenerator 17d mit reduzierter Größe ) erhöht .
Die Hauptwirbelgeneratoren 17 sind dadurch gekennzeichnet , dass stromabwärts von ihnen an j edem Hauptwirbelgenerator 17a- 17d j eweils eine Kraf tstof fdüse 19a- 19d angeordnet ist . Wie man sieht , ist der Abstand von den Brennstof fdüsen 19 zum j eweiligen Hauptwirbelgenerator 17 wesentlich geringer als die Größe der Wirbelgeneratoren 17 .
Die verbesserte Durchmischung wird durch den zusätzlichen Wirbelgenerator 18 erreicht , der zwischen dem ersten Hauptwirbelgenerator 17a und dem ersten Wandende 15 angeordnet ist . Im Gegensatz zu den Hauptwirbelgeneratoren 17 ist am Zusatzwirbelgenerator 18 keine Kraf tstof fdüse angeordnet . Weiterhin ist die Größe des Zusatzwirbelgenerators 18 gegenüber dem ersten Hauptwirbelgenerator 17a reduziert .
In Figur 14 ist eine Detailansicht eines an der Bauteilwand 14 angeordneten Hauptwirbelgenerators 17 ski z ziert . Wie zu erkennen ist , hat der Hauptwirbelgenerator 17 eine Dreiecks form mit einer vorlaufenden Kurve 22 als Übergang von einer Oberseite 24 des Hauptwirbelgenerators 17 zur Bauteilwand 14 und einer nachlaufenden Kurve 23 , die quer zur Bauteilwand verläuft und damit die Höhe des Hauptwirbelgenerators 17 definiert . Dies führt zu zwei gegenüberliegenden Seitenwänden 25 , die sich von der Schleppkurve 23 zu einem der beiden gegenüberliegenden Enden der Leitkurve 22 erstrecken . Stromabwärts des Hauptwirbelgenerators 17 ist eine Kraf tstof fdüse 19 angeordnet .

Claims

Patentansprüche
1. Brennerteil (11, 11') zur Verwendung in einem Brenner (1, 1') , insbesondere für eine Gasturbine, das innerhalb eines Strömungskanals (2) mit einer Strömungsrichtung angeordnet ist, mit einer stromaufwärtigen Vorderkante (12) und einer stromabwärtigen Hinterkante (13) , mit einer Bauteilwand (14) , die sich von der Vorderkante (12) zur Hinterkante (13) und in einer Querrichtung quer zur Strömungsrichtung von einem ersten Wandende (15) zu einem gegenüberliegenden zweiten Wandende (16) erstreckt, umfassend zwei Stufen (40, 43) einer Verbrennung, wobei die zwei Stufen A, B (40, 43) über einen gemeinsamen Hohlraum (83) versorgt werden.
2. Brennerteil nach Anspruch 1, bei dem die Stufe B (43) eingangs mit einer Blende (50) versehen ist.
3. Brennerteil nach Anspruch 2, bei dem die Blende (50) in einer Vertiefung (53) am Anfang der zweiten Stufe (43) angeordnet ist.
4. Brennerteil (11') nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem Wirbelgeneratoren (17, 18) , die an der Bauteilwand (14) nahe der Vorderkante (12) in Querrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind und in den Strömungskanal (02) hineinragen, mit einem ersten Hauptwirbelgenerator (17a) auf der dem ersten Wandende (15) zugewandten Seite und einem zweiten Hauptwirbelgenerator (17b) neben dem ersten Hauptwirbelgenerator (17a) und einem Zusatzwirbelgenerator (18) ; und
- Brennstof fdüsen (19) , die jeweils stromabwärts eines Hauptwirbelgenerators (17) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwirbelgenerator (18) zwischen dem ersten Hauptwirbelgenerator (17a) und dem ersten Wandende (15) angeordnet ist und eine Höhe über der Bauteilwand (14) aufweist, die geringer ist als die Höhe des ersten
Hauptwirbelgenerators (17a) und ohne eine jeweilige Brennstof fdüse ist.
5. Brennerteil nach Anspruch 4, wobei die Wirbelgeneratoren (17, 18) dreieckig ausgebildet sind, mit einer stromaufwärts gelegenen Vorlauf kurve (22) an der Bauteilwand (14) und einer stromabwärts gelegenen Nachlauf kurve (23) quer zur Bauteilwand (14) oder wobei die Wirbelgeneratoren (17, 18) eine sich von der vorderen Kurve (22) bis zum freien Ende der hinteren Kurve (23) erstreckende Deckfläche (24) und zwei sich jeweils von einem Ende der vorderen Kurve (22) bis zur hinteren Kurve (23) erstreckende Seitenflächen (25) aufweisen.
6. Brennerteil nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Wirbelgeneratoren (17, 18) in der gleichen Position zur Strömungsrichtung angeordnet sind.
7. Brennerteil nach Anspruch 6, wobei die Wirbelerzeuger (17, 18) nahe der Vorderkante (12) angeordnet sind.
8. Brennerteil nach einem der Ansprüche 4 bis 7, mit mindestens drei und höchstens sechs, insbesondere vier oder fünf, Hauptwirbelerzeugern (17) mit jeweils einer nachgeschalteten Brennstof fdüse (19) .
9. Brennerteil nach Anspruch 8, wobei der zweite Hauptwirbelgenerator (17b) größer ist als der erste Wirbelgenerator (17a) und ein dritter Hauptwirbelgenerator (17c) neben dem zweiten Wirbelgenerator (17b) größer ist als der zweite Wirbelgenerator (17b) .
10. Brennerteil nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei der Zusatzwirbelerzeuger (18) mittig mit einer Toleranz von 15% zwischen dem ersten Wandende (15) und dem ersten Hauptwirbelerzeuger (17a) angeordnet ist und wobei der erste Hauptwirbelerzeuger (17a) mittig mit einer Toleranz von 15% zwischen dem ersten Wandende (15) und dem zweiten Hauptwirbelerzeuger (17b) angeordnet ist.
11. Brennerteil nach Anspruch 10, wobei der Abstand zwischen dem dritten Hauptwirbelerzeuger (17c) und dem zweiten Hauptwirbelerzeuger (17b) mindestens das 1,2-fache und höchstens das 1,5-fache des Abstandes zwischen dem zweiten Hauptwirbelerzeuger (17b) und dem ersten Hauptwirbelerzeuger (17a) beträgt, oder wobei der Abstand von der Schleppkurve (23) zur jeweiligen Brennstof fdüse (19) weniger als die Hälfte der Länge des jeweiligen Hauptwirbelerzeugers (17) in Strömungsrichtung beträgt, insbesondere weniger als die Hälfte des jeweiligen Abstandes von der Vorkurve (22) zur Schleppkurve (23) .
12. Brennerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit der Form einer Schaufel.
13. Brenner (1, 1') mit mindestens einem, insbesondere mehreren Brennerteilen (11, 11') nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Brennerteil (11, 11') nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Hohlraum (83) im Brennerteil (11, 11') ausgebildet ist.
15. Brennerteil (11, 11') nach Anspruch 14, bei dem der Hohlraum (83) nur durch einen einzigen Zugang (81) mit Brennstoff versorgt werden kann.
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