WO2008077882A1 - Brenner für eine gasturbine - Google Patents

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Andreas Böttcher
Jens Kleinfeld
Tobias Krieger
Sabine Tüschen
Thomas Grieb
Ulrich Wörz
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/283—Attaching or cooling of fuel injecting means including supports for fuel injectors, stems, or lances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means

Definitions

  • the invention relates to a burner for a gas turbine with a main burner and a pilot burner.
  • Gas turbines include, as known, for example, from US 6,038,861, a compressor for compressing air, a combustion chamber for generating hot gas by burning fuel in communication with the compressed air, and a turbine for expanding the hot gas. It is known that gas turbines eject undesirable nitrogen oxides (NO x ) and carbon monoxide (CO).
  • NO x nitrogen oxides
  • CO carbon monoxide
  • Two-stage combustion systems have been developed that simultaneously produce efficient combustion and reduced NO x emissions. In such a two-stage combustion system, diffusion combustion is performed in the first stage to ignite and stabilize the flame. Premix combustion is performed in the second stage to reduce NO x emissions.
  • the first stage is the so-called pilot stage, which is usually carried out by a diffusion burner and causes significant increases in NO x emissions.
  • the main burner includes several main fuel mixers, each with a swirler that creates turbulence in the airflow.
  • the fuel supply line In the center of the Swirlers is the fuel supply line, which introduces the gas into the airflow.
  • Fig. 1 shows a fuel supply line with a heat shield in a main burner according to the prior art.
  • the fuel supply line 16 is located inside a support structure 6, which is arranged in the center of the Swirlers 4.
  • lines 16 which introduce the fuel from the interior of the support structure 6 in the Swirler- blades 4.
  • the gas mixes with the compressed air.
  • a receptacle 8 which forwards the fuel to the tip 10 of the arrangement.
  • a heat shield 18 which isolates the fuel from the environment.
  • oil injection holes 19 At the end of the heat shield 18 there are oil injection holes 19.
  • the heat shield 18 serves to thermally decouple the support structure 6 of the swivel 4 from the oil passages 16 in the interior of the arrangement. It consists of a tube, which was previously soldered or welded into the support structure 6. 12. The cohesive connection points 12 obstruct the deformation of the support structure 6 due to the colder heat shield 18, so that thermal stresses can occur. Due to these possible voltages, the maximum possible starting numbers - and thus also the maximum possible service life - can not be realized.
  • the invention has for its object to provide a burner for a gas turbine available, in which the occurrence of thermal stresses between the support structure and the heat shield can be reduced.
  • the object is achieved in a burner for a gas turbine with a main burner and a lotbrenner.
  • the main burner comprises a support structure, a heat shield and a receptacle for the heat shield.
  • the receptacle is located at least partially within the support structure, in particular concentrically, within the support structure, and the heat shield is located at least partially within the receptacle, in particular concentrically, within the receptacle.
  • the heat shield is attached to the receptacle by frictional engagement and / or frictional engagement.
  • the non-positive and / or frictional connection is a clamping connection.
  • the heat shield is fixed by a press fit between the tip and the receptacle.
  • the clamped seat allows free thermal stretching, so that the stresses in the component can be significantly reduced.
  • the required start numbers can be achieved in this way.
  • the solution is less expensive compared to the soldered connection (prior art), which has a high accuracy required.
  • the heat shield can also be screwed to the receptacle.
  • the heat shield may further comprise a collar, which serves for better clamping of the heat shield.
  • the collar may have an external thread and the receptacle a corresponding internal thread, which cooperate when screwing the heat shield with the recording.
  • the tip is screwed to the receptacle.
  • the screw connection is a simple construction that allows the tip to be connected to the receptacle.
  • the tip may be crimped with the receptacle. Crimping provides protection against uncontrolled release during operation of the gas turbine.
  • the heat shield is tubular.
  • the oil channel is thermally insulated inside the heat shield over its entire length.
  • the burner may comprise a Swirler, in the center of which the support structure may be arranged.
  • Fig. 1 shows a main burner with a Swirler according to the prior art.
  • Fig. 2 shows a main burner with a Swirler and a heat shield according to the invention.
  • Fig. 3 is an enlarged detail view of the attachment of the heat shield.
  • FIG. 2 shows a main burner 2 with a swirler 4, a support structure 6, a receptacle 8, a tip 10, an oil channel 16, swirler channels 17 and a heat shield 18.
  • the support structure 6 is located in the center of the Swirlers 4. It is tubular and protrudes with its two ends in each case beyond the Swirler.
  • the receptacle 8 is also substantially tubular and is located inside the support structure 6, concentric to the swirler 4. The interior of the receptacle 8 is formed by an oil passage 16 which extends along the longitudinal axis of the receptacle 8.
  • the heat shield 18 is arranged in the downstream part of the receptacle 8.
  • the heat shield 18 connects to the oil passage 16 and protrudes beyond the receptacle 8.
  • the heat shield is also tubular and has at its downstream end bores 19, through which the oil, which is introduced through the oil passage 16 and is passed through the interior of the heat shield 18 and through the tip 10, exits into the combustion chamber 3 ,
  • the tip 10 has a conical and a cylindrical part.
  • the cylindrical part is screwed to the receptacle 8.
  • this part of the tip is crimped.
  • the tip 10 may also be secured by crimping alone on the receptacle 8.
  • At the transition between the cylindrical part and the conical part of the tip are ⁇ laustrittsboh- ments, through which the guided in the heat shield oil can escape into the combustion chamber 3.
  • air from the compressor (not shown) is introduced into the swirler of the main burner 2.
  • the Swirler swirls the air and the oil exiting through the oil channels 17 from the Swirlerschaufein is mixed with the supplied air.
  • oil is passed through the oil passage 16, passed through the interior of the heat shield and fed through the holes 19 in the heat shield and the passages in the top of the combustion chamber 3 of the main burner 2.
  • FIG. 3 shows a detailed view X of the heat shield arrangement in FIG. 2.
  • the heat shield 18 has a collar 22 with two clamping points 20 and an external thread 28.
  • Clamping points 20 are clamped between a shoulder 24 of the receptacle and a shoulder 26 of the tip.
  • the heat shield 18 is screwed with its external thread 28 in an internal thread of the receptacle 8.
  • the heat shield 18 is clamped in the present embodiment both between receptacle 8 and tip 10 and bolted to the receptacle, it is also possible in principle to fix it alone by clamping or alone by screwing.
  • the nipples 20 between heat shield, receptacle and tip allow during operation a free thermal stretching of the receptacle 8 and the tip 10 around the heat shield 18 around, which hardly expands due to its material (ceramic).
  • the metallic components 8 and 10 have a relatively high thermal expansion during operation.

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

Brenner für eine Gasturbine mit einem Hauptbrenner (2) und einem Pilotbrenner, wobei der Hauptbrenner (2), eine Tragstruktur (6), einen Hitzeschild (18) und eine Aufnahme (8) für den Hitzeschild (18) aufweist, und wobei sich die Aufnahme (8) zumindest teilweise innerhalb der Tragstruktur (6) und der Hitzeschild (18) zumindest teilweise innerhalb der Aufnahme (8) befinden, dadurch ekennzeichnet, dass der Hitzeschild (18) durch Reibschluss an der Aufnahme (8) befestigt ist.

Description

Beschreibung
Brenner für eine Gasturbine
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Brenner für eine Gasturbine mit einem Hauptbrenner und einem Pilotbrenner.
Gasturbinen umfassen, wie zum Beispiel aus der US 6,038,861 bekannt ist, einen Verdichter zum Verdichten von Luft, eine Brennkammer zum Erzeugen von Heißgas durch Verbrennen von Brennstoff in Verbindung mit der verdichteten Luft und eine Turbine zum Entspannen des Heißgases. Es ist bekannt, dass Gasturbinen unerwünschte Stickoxide (NOx) und Kohlenmonoxide (CO) ausstoßen. Es wurden zweistufige Verbrennungssysteme entwickelt, die gleichzeitig eine effiziente Verbrennung und verringerte NOx-Emissionen erzeugen. In einem solchen zweistufigen Verbrennungssystem wird eine Diffusionsverbrennung in der ersten Stufe durchgeführt, um die Flamme zu zünden und stabil zu halten. Eine Vormischverbrennung wird in der zweiten Stufe durchgeführt, um die NOx-Ausstöße zu reduzieren.
Die erste Stufe ist die sog. Pilotstufe, die normalerweise durch einen Diffusionsbrenner ausgeführt ist und die deutliche Erhöhungen der NOx-Emissionen hervorruft.
Um den Pilotbrenner herum ist der Hauptbrenner angeordnet. Der Hauptbrenner umfasst mehrere Hauptbrennstoffmischer mit jeweils einem Swirler (Drallerzeuger), der eine Turbulenz im Luftstrom erzeugt. Im Zentrum des Swirlers befindet sich die Brennstoffzufuhrleitung, die das Gas in den Luftstrom einführt.
Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzufuhrleitung mit einem Hitzeschild in einem Hauptbrenner nach dem Stand der Technik. Die Brennstoffzufuhrleitung 16 befindet sich im Inneren einer Tragstruktur 6, die im Zentrum des Swirlers 4 angeordnet ist. In der Tragstruktur 6 befinden sich Leitungen 16, die den Brennstoff aus dem Inneren der Tragstruktur 6 in die Swirler- schaufeln 4 einleiten. Beim Austritt aus den Swirlerschaufein 4 vermischt sich das Gas mit der verdichteten Luft.
Im Inneren der Tragstruktur 6 befindet sich außerdem eine Aufnahme 8 die den Brennstoff zur Spitze 10 der Anordnung weiterleitet. Innerhalb der Aufnahme 8 befindet sich ein Hitzeschild 18, der den Brennstoff gegen die Umgebung isoliert. Am Ende des Hitzeschilds 18 befinden sich Öleinspritzbohrun- gen 19.
Der Hitzeschild 18 dient dazu, die Tragstruktur 6 des Swir- lers 4 gegen die Ölkanäle 16 im Innern der Anordnung ther- misch zu entkoppeln. Er besteht aus einem Rohr, welches bisher in die Tragstruktur 6 eingelötet bzw. geschweißt wurde 12. Durch die Stoffschlüssigen Verbindungsstellen 12 wird die Verformung der Tragstruktur 6 aufgrund des kälteren Hitzeschildes 18 behindert, sodass es zu Thermospannungen kommen kann. Aufgrund dieser möglichen Spannungen können die maximal möglichen Startzahlen - und damit auch die maximal mögliche Lebensdauer - nicht realisiert werden.
Zugrundeliegende Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner für eine Gasturbine zur Verfügung zu stellen, bei dem das Auftreten von Thermospannungen zwischen der Tragstruktur und dem Hitzeschild verringert werden.
Erfindungsgemäße Lösung
Die Aufgabe wird durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vor- teilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß besteht die Lösung der Aufgabe in einem Brenner für eine Gasturbine mit einem Hauptbrenner und einem Pi- lotbrenner. Der Hauptbrenner umfasst eine Tragstruktur, einen Hitzeschild und eine Aufnahme für den Hitzeschild. Die Aufnahme befindet sich zumindest teilweise innerhalb der Tragstruktur, insbesondere konzentrisch, innerhalb der Tragstruk- tur, und der Hitzeschild befindet sich zumindest teilweise innerhalb der Aufnahme, insbesondere konzentrisch, innerhalb der Aufnahme. Der Hitzeschild ist durch Kraftschluss und/oder Reibschluss an der Aufnahme befestigt.
Durch die kraft- und/oder reibschlüssige Verbindung findet eine thermische Entkopplung der Aufnahme gegen die Ölkanäle (TOi=25°C, Wärmeübergang > 5000 W/M2K) im Inneren des Hitzeschildes statt. Die Thermospannungen zwischen der Aufnahme und dem Hitzeschild sind also geringer als bei der gelöteten oder geschweißten Verbindung nach dem Stand der Technik. Dies erlaubt höhere Startzahlen und ermöglicht dadurch eine höhere Lebensdauer der Komponenten. Außerdem wird ein sicherer Betrieb gewährleistet.
In einer vorteilhaften Weiterbindung der Erfindung ist die
Aufnahme ebenfalls durch Kraft- oder Reibschluss an der Tragstruktur befestigt. Dadurch findet eine thermische Entkopplung der Tragstruktur gegen die Aufnahme statt. Es entstehen geringere Thermospannungen zwischen der Tragstruktur und der Aufnahme als bei der gelöteten oder geschweißten Verbindung. Außerdem wird die Lebensdauer der Komponenten erhöht, was zur höheren Startzahlen der Gasturbine führt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die kraft- und/oder reibschlüssige Verbindung eine Klemmverbindung. Mit anderen Worten, der Hitzeschild wird durch einen Klemmsitz zwischen der Spitze und der Aufnahme befestigt. Der Klemmsitz erlaubt ein freies thermisches Dehnen, sodass die Spannungen im Bauteil erheblich gesenkt werden können. Die geforderten Startzahlen können so erreicht werden. Außerdem ist die Lösung kostengünstiger im Vergleich zur gelöteten Verbindung (Stand der Technik) , die eine hohe Ge- nauigkeit erfordert. Zusätzlich oder alternativ kann der Hitzeschild auch mit der Aufnahme verschraubt sein.
Der Hitzeschild kann weiterhin einen Bund aufweisen, der zum besseren Festklemmen des Hitzeschildes dient. Zudem kann der Bund ein Außengewinde und die Aufnahme ein entsprechendes Innengewinde aufweisen, welche beim Verschrauben des Hitzeschildes mit der Aufnahme zusammenwirken.
Vorzugsweise ist die Spitze mit der Aufnahme verschraubt. Die Verschraubung ist einfache Konstruktion, durch die die Spitze mit der Aufnahme verbunden werden kann.
Insbesondere kann die Spitze mit der Aufnahme verkrimpt sein. Das Verkrimpen bietet einen Schutz gegen unkontrolliertes Lösen während des Betriebs der Gasturbine.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Hitzeschild rohrförmig ausgebildet. Dadurch wird der Ölkanal im Innern des Hitzeschildes über seine gesamte Länge thermisch isoliert.
Weiterhin kann der Brenners einen Swirler aufweisen, in dessen Zentrum die Tragstruktur angeordnet sein kann.
Außerdem wird eine Gasturbine mit einem Brenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche verwendet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 einen Hauptbrenner mit einem Swirler nach dem Stand der Technik. Fig. 2 einen Hauptbrenner mit einem Swirler und einem erfindungsgemäßen Hitzeschild.
Fig. 3 eine vergrößerte Detailansicht der Befestigung des Hitzeschilds.
Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Fig. 2 ist ein Hauptbrenner 2 mit einem Swirler 4, einer Tragstruktur 6, einer Aufnahme 8, einer Spitze 10, einem Öl- kanal 16, Swirlerkanälen 17 und einem Hitzeschild 18 dargestellt.
Die Tragstruktur 6 befindet sich im Zentrum des Swirlers 4. Sie ist rohrförmig aufgebaut und ragt mit ihren beiden Enden jeweils über den Swirler hinaus. Die Aufnahme 8 ist ebenfalls im Wesentlichen rohrförmig und befindet sich im Innern der Tragstruktur 6, konzentrisch zum Swirler 4. Das Innere der Aufnahme 8 wird von einem Ölkanal 16 gebildet, der entlang der Längsachse der Aufnahme 8 verläuft.
Im stromabwärts angeordneten Teil der Aufnahme 8 ist der Hitzeschild 18 angeordnet. Der Hitzeschild 18 schließt an den Ölkanal 16 an und ragt über die Aufnahme 8 hinaus. Der Hitze- schild ist ebenfalls rohrförmig und weist an seinem stromabwärts gerichteten Ende Bohrungen 19 auf, durch die das Öl, das durch den Ölkanal 16 eingeführt wird und durch das Innere des Hitzeschildes 18 und durch die Spitze 10 geleitet wird, in den Brennraum 3 austritt.
Die Spitze 10 weist einen konischen und einen zylindrischen Teil auf. Der zylindrische Teil ist mit der Aufnahme 8 verschraubt. Um die Spitze 10 gegen ungewolltes Lösen zu sichern, wird dieser Teil der Spitze verkrimpt. Die Spitze 10 kann auch durch Verkrimpung allein an der Aufnahme 8 befestigt sein. Am Übergang zwischen dem zylindrischen Teil und dem konischen Teil der Spitze befinden sich Ölaustrittsboh- rungen, durch die das in dem Hitzeschild geführte Öl in den Brennraum 3 austreten kann.
Während des Betriebs wird Luft vom Verdichter (nicht darge- stellt) in den Swirler des Hauptbrenners 2 eingeleitet. Der Swirler verwirbelt die Luft und das durch die Ölkanäle 17 aus den Swirlerschaufein austretende Öl wird mit der zugeführten Luft vermischt. Außerdem wird Öl durch den Ölkanal 16 geführt, durch das Innere des Hitzeschilds geleitet und durch die Bohrungen 19 im Hitzeschild und die Durchgänge in der Spitze dem Brennraum 3 des Hauptbrenners 2 zugeführt.
Fig. 3 stellt eine Detailansicht X der Hitzeschildanordnung in Fig. 2 dar. Der Hitzeschild 18 weist einen Bund 22 mit zwei Klemmstellen 20 und einem Außengewinde 28 auf. Die
Klemmstellen 20 sind zwischen einen Absatz 24 der Aufnahme und einen Absatz 26 der Spitze geklemmt. Zusätzlich ist der Hitzeschild 18 mit seinem Außengewinde 28 in ein Innengewinde der Aufnahme 8 eingeschraubt. Obwohl der Hitzeschild 18 im vorliegenden Ausführungsbeispiel sowohl zwischen Aufnahme 8 und Spitze 10 geklemmt als auch mit der Aufnahme verschraubt ist, ist es grundsätzlich auch möglich, ihn alleine durch Klemmen oder alleine durch Verschrauben zu fixieren.
Zwischen der Aufnahme 8 und der Spitze 10 befindet sich eine Dichtung 21. In der Detailansicht ist auch das Gewinde 14 deutlich zu erkennen, mit Hilfe dessen die Spitze 10 auf die Aufnahme 8 geschraubt ist.
Die Klemmstellen 20 zwischen Hitzeschild, Aufnahme und Spitze ermöglichen während des Betriebs ein freies thermisches Dehnen der Aufnahme 8 und der Spitze 10 um den Hitzeschild 18 herum, der sich aufgrund seines Werkstoffes (Keramik) kaum ausdehnt. Die metallischen Bauteile 8 und 10 jedoch weisen eine relativ hohe thermische Dehnung während des Betriebs auf .

Claims

Patentansprüche
1. Brenner für eine Gasturbine mit einem Hauptbrenner (2) und einem Pilotbrenner, wobei der Hauptbrenner (2), ei- ne Tragstruktur (6), einen Hitzeschild (18) und eine
Aufnahme (8) für den Hitzeschild (18) aufweist, und wo¬ bei sich die Aufnahme (8) zumindest teilweise innerhalb der Tragstruktur (6) und der Hitzeschild (18) zumindest teilweise innerhalb der Aufnahme (8) befinden, da- durch ge kenn ze ichnet , das s der Hitze¬ schild (18) durch Kraft- uns/oder Reibschluss an der Aufnahme (8) befestigt ist.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch ge kenn- ze ichnet , das s die Aufnahme (8) durch Kraft - und/oder Reibschluss an der Tragstruktur (6) befestigt ist .
3. Brenner nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge kenn ze ichnet , das s er eine an die Trag¬ struktur (6), die Aufnahme (8) und den Hitzeschild (18) angrenzende Spitze (10) aufweist und der Hitzeschild (18) durch einen Klemmsitz zwischen der Spitze (10) und der Aufnahme (8) befestigt ist.
4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kenn ze ichnet , das s der Hitzeschild (18) mit der Aufnahme (8) verschraubt ist.
5. Brenner nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch ge kenn ze ichnet , das s der Hitzeschild (18) einen Bund (22) aufweist.
6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch ge kenn- ze ichnet , das s der Bund (22) ein Außengewinde
(28) und die Aufnahme eine entsprechendes Innengewinde aufweist .
7. Brenner nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge kenn ze ichnet , das s die Spitze (10) mit der Aufnahme (8) verschraubt ist.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch ge kenn ze ichnet , das s die Spitze (10) mit der Aufnahme (8) verkrimpt ist.
9. Brenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da- durch ge kenn zei chnet , das s der Hitze¬ schild (18) rohrförmig ist.
10. Brenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kenn zei chnet , das s er einen Swirler (4) aufweist und die Tragstruktur (6) im Zent¬ rum des Swirlers (4) angeordnet ist.
11. Gasturbine mit einem Brenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
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