TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Brennertechnik für Gasturbinen.
Sie betrifft eine Brenneranordnung für eine Gasturbine, umfassend wenigstens einen
im Plenum der Gasturbine angeordneten Brenner, welcher mit einem innenliegenden Einspritzraum
in eine Brennkammer mündet und aussen mit Druckluft von einer Kompressorstufe der
Gasturbine beaufschlagt ist, sowie eine dem Brenner zugeordnete Brennstofflanze für
die wahlweise Zufuhr von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen, welche Brennstofflanze
ein zentrales Flüssigbrennstoffrohr und ein das Flüssigbrennstoffrohr konzentrisch
umgebendes Pilotgasrohr aufweist, wobei die Rohre in einem Lanzenkopf an der Spitze
der Brennstofflanze in zugehörigen Austrittsöffnungen enden, und welche Brennstofflanze
mit dem Lanzenkopf in ein mit dem Einspritzraum in Verbindung stehendes Innenrohr
des Brenners einführbar ist.
[0002] Eine derartige Brenneranordnung ist z.B. aus der Deutschen Offenlegungschrift DE-A1-43
06 956 bekannt.
STAND DER TECHNIK
[0003] Für stationäre Gasturbinen in Kraftwerken haben sich seit längerem Brennkammern mit
sogenannten Doppelkegelbrennern bewährt, denen von aussen durch einsteckbare Brennerlanzen
Brennstoff zugeführt wird (siehe die eingangs genannte Druckschrift). Die Brennerlanze
ist dabei meist als Zwei-Brennstoff-Lanze ("dual fuel lance") ausgelegt, d.h. in der
Brennstofflanze kann wahlweise gasförmiger Brennstoff (Pilotgas) und flüssiger Brennstoff
(üblicherweise ein Oel-Wasser-Mischung) zugeführt werden. Dazu sind in der Lanze konzentrisch
entsprechende Rohre (Flüssigbrennstoffrohr, Pilotgasrohr) angeordnet, die Kanäle für
das Gas und den Flüssigbrennstoff bilden. Die Kanäle enden an der Lanzenspitze (im
Lanzenkopf) in zugehörigen Austrittsöffnungen für den jeweiligen Brennstoff. Die Lanze
steckt mit dem Lanzenkopf in einem entsprechenden Innenrohr des Brenners, so dass
der austretende Brennstoff in den an das Innenrohr anschliessenden Einspritzraum gelangt.
[0004] Während des normalen Oelbetriebs fliesst in dem inneren Flüssigbrennstoffrohr (Flüssigbrennstoffkanal)
der Brennstofflanze ein Oel-Wasser-Gemisch. In der Startphase fliesst dagegen im Gasbetrieb
Pilotgas im ringförmigen Pilotgaskanal zwischen dem Flüssigbrennstoffrohr und dem
Pilotgasrohr. Eine der beiden Brennstoffkanäle ist dabei immer ausser Betrieb. Manchmal
werden sogar beide Kanäle gleichzeitig nicht benutzt.
[0005] Da in den nicht benutzten Kanälen der notwendige Ueberdruck gegenüber dem Einspritzraum
des Brenners fehlt, kann es vorkommen, dass heisse Gase oder heisses Oel vom Brenner
her in die nicht benutzten Kanäle eindringen und zu einer zeitweisen oder dauerhaften
Beeinträchtigung der Funktion der Brennstofflanze führen. Es wäre daher wünschenswert,
die Brenneranordnung so auszubilden, dass ein solches Eindringen auf einfache Weise
sicher verhindert wird.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0006] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brenneranordnung anzugeben, bei welcher
mit geringem Aufwand das Eindringen von heissen Gasen oder heissem Oel aus dem Brenner
in einen nicht benutzten Brennstoffkanal der Brennerlanze sicher vermieden wird.
[0007] Die Aufgabe wird bei deiner Brenneranordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
dass zum Schutz vor einem Eindringen von heissen Gasen und/oder heissem Flüssigbrennstoff
in die Austrittsöffnungen der Rohre bei Nichtbenutzung dieser Rohre im Lanzenkopf
in unmittelbarer Nähe der Austrittsöffnungen der Rohre eine zusätzliche Oeffnung vorgesehen
ist, durch welche Druckluft in den Einspritzraum ausströmt, und dass Mittel vorgesehen
sind, welche Druckluft aus dem den Brenner umgebenden Plenum zu der zusätzlichen Oeffnung
führen. Hierdurch wird am Lanzenkopf in unmittelbarer Nähe der Austrittsöffnungen
der Brennstoffrohre ein Luftschirm erzeugt, der ein Rückströmen in die Austrittsöffnungen
sicher unterbindet. Da die dazu erforderliche Druckluft direkt am Brenner aus dem
umgebenden Plenum entnommen wird, entfallen zusätzliche Leitungen in der Lanze und
zur Lanze hin, sowie zugehörige Anschlüsse, Ventile und dgl..
[0008] Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Brenneranordnung nach der Erfindung zeichnet
sich dadurch aus, dass die Mittel zur Führung der Druckluft einen Zwischenraum umfassen,
welcher in Strömungsrichtung vor dem Lanzenkopf zwischen dem Pilotgasrohr und dem
Innenrohr des Brenners angeordnet ist, dass der Zwischenraum mit dem den Brenner umgebenden
Plenum über wenigstens eine von aussen durch den Brenner hindurch in das Innenrohr
führende Einlassbohrung verbunden ist, dass der Zwischenraum mit der zusätzlichen
Oeffnung über wenigstens einen durch den Lanzenkopf geführten Druckluftkanal in Verbindung
steht, und dass der Zwischenraum ringförmig ausgebildet ist und das Pilotgasrohr konzentrisch
umgibt. Der Zwischenraum kann auf einfache Weise dadurch gebildet werden, dass das
(äussere) Pilotgasrohr der Lanze in Strömungsrichtung vor dem Lanzenkopf im Aussendurchmesser
gegenüber dem Innenrohr des Brenners deutlich reduziert wird. Die Einlassbohrungen
und Druckluftkanäle erfordern nur sehr geringe Aenderungen am Brenner bzw. dem Lanzenkopf.
[0009] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Brenneranordnung ist
dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einlassbohrungen um die Brennerachse bzw. Lanzenachse
herum verteilt angeordnet sind, dass mehrere Druckluftkanäle um die Brennerachse bzw.
Lanzenachse herum verteilt angeordnet sind, und dass die Druckluftkanäle in Strömungsrichtung
schräg zur Brennerachse bzw. Lanzenachse hin verlaufen. Durch diese Art der Anordnung
wird ein besonders gleichmässiger und stabiler Luftschirm erzeugt.
[0010] Die Austrittsöffnung für den Flüssigbrennstoff im Lanzenkopf ist vorzugsweise zentral
angeordnet, und die zusätzliche Oeffnung im Lanzenkopf ist vorzugsweise als Ringöffnung
ausgebildet, welche die zentrale Austrittsöffnung für den Flüssigbrennstoff konzentrisch
umgibt. Dadurch wird ein Luftmantel erzeugt, der den zentralen Austritt für den Flüssigbrennstoff
ringförmig umschliesst und abschirmt.
[0011] In einer ersten alternativen Weiterbildung dieser Ausführungsform sind mehrere Austrittsöffnungen
für das Pilotgas um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeordnet, und
die Austrittsöffnungen münden in die Ringöffnung. Hierdurch werden die nicht benutzten
Austrittsöffnungen für beide Brennstoffe einfach abgeschirmt.
[0012] In einer zweiten alternativen Weiterbildung dieser Ausführungsform sind mehrere Austrittsöffnungen
für das Pilotgas um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeordnet, und
die Austrittsöffnungen liegen ausserhalb der Ringöffnung. Hierdurch wird zusätzlich
zu der Abschirmung der nicht benutzten Austrittsöffnungen eine Trennung mittels des
Luftvorhangs zwischen der innenliegenden Austrittsöffnung für den Flüssigbrennstoff
und den aussenliegenden Austrittsöffnungen für das Pilotgas erreicht.
[0013] Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
[0014] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit
der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
- Fig. 1
- im Längsschnitt ein erstes allgemeines Ausführungsbeispiel für eine Brenneranordnung
gemäss vorliegender Erfindung;
- Fig. 2
- den Querschnitt durch die Brenneranordnung gemäss Fig. 1 entlang der Ebene A-A mit
den Einlassbohrungen für die abschirmende Druckluft;
- Fig. 3
- im Längsschnitt (Teilfigur (b)) und im Querschnitt (Teilfigur (a)) entlang der Ebene
B-B aus Teilfigur (b) ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemässe
Brenneranordnung mit gemeinsamer Ringöffnung für die Druckluft und das Pilotgas; und
- Fig. 4
- in der Frontalansicht (Teilfigur (a)), im Längsschnitt (Teilfigur(b)) und im Querschnitt
(Teilfigur(c)) entlang der Ebene C-C in Teilfigur (b) ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
für eine erfindungsgemässe Brenneranordnung mit einer Plazierung des Luftschirms zwischen
dem Flüssigbrennstoffaustritt und dem Pilotgasaustritt.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0015] In der Fig. 1 ist im Längsschnitt ein erstes allgemeines Ausführungsbeispiel für
eine Brenneranordnung gemäss vorliegender Erfindung wiedergegeben. Die Brenneranordnung
1 umfasst einen Brenner 2, der im vorliegenden Fall als Doppelkegelbrenner ausgebildet
ist. Der Brenner 2 umschliesst einen Einspritzraum 8, der in eine nicht eingezeichnet
Brennkammer mündet (siehe dazu die DE-A1-43 06 956). Der Brenner ist aussen vom Plenum
7 der Gasturbine umgeben, welches mit Druckluft aus der Kompressorstufe der Gasturbine
beaufschlagt ist. Im Zentrum des Brenners 2 ist ein Innenrohr 6 angeordnet, in welches
eine Brennstofflanze 9 mit einem Aussenrohr 10 und einer Lanzenspitze eingesteckt
ist, welche das Ende eines Pilotgasrohres 11 und den daran anschliessenden Lanzenkopf
12 umfasst. Der Brenner 2 umfasst weiterhin zwei aussenliegende Hauptgaskanäle 3 und
4 (siehe auch Fig. 2), durch welche das Hauptgas herangeführt und durch eine Vielzahl
von Einströmöffnungen 5 (von denen in Fig. 1 der Uebersichtlichkeit halber nur fünf
beispielhaft eingezeichnet sind) in den Einspritzraum 8 eingedüst wird.
[0016] Der Aussendurchmesser des Pilotgasrohres 11 ist gegenüber dem Innendurchmesser des
Innenrohres 6 (zumindest gleich hinter dem Lanzenkopf 12) deutlich reduziert, so dass
sich zwischen dem Pilotgasrohr 11 und dem Innenrohr 6 ein ringförmiger Zwischenraum
13 ergibt. In diesen Zwischenraum 13 kann - wie aus dem Querschnitt in Fig. 2 deutlich
wird - durch zwei sich gegenüberliegende Einlassbohrungen 14 und 15 Druckluft aus
dem umgebenden Plenum 7 einströmen und steht dort zur Bildung eines Luftschirms im
Austrittsbereich des Lanzenkopfes 12 zur Verfügung. Die Bildung des Luftschirms kann
auf unterschiedliche Weise erfolgen und soll nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen
gemäss den Fig. 3 und 4 erläutert werden, die dazu den inneren Aufbau im Bereich des
Lanzenkopfes 12 zeigen.
[0017] Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel im Längsschnitt (Teilfigur (b)) und im
Querschnitt (Teilfigur (a)) entlang der Ebene B-B aus Teilfigur (b). Die im Innenrohr
6 des Brenners 2 steckende Brennstofflanze 9 umfasst neben dem bereits erwähnten Pilotgasrohr
11 und dem Lanzenkopf 12 ein konzentrisch im Pilotgasrohr 11 angeordnetes Flüssigbrennstoffrohr
19. Im zentralen Flüssigbrennstoffkanal 20 des Flüssigbrennstoffrohres wird beim Betrieb
des Brenners mit Flüssigbrennstoff (meist eine Oel-Wasser-Mischung) der Flüssigbrennstoff
herangeführt und durch eine zugehörige Austrittsöffnung 20 im Lanzenkopf 12 in den
Einspritzraum 8 eingespritzt. Beim Gasbetrieb wird Pilotgas im Pilotgaskanal 16 zwischen
dem Flüssigbrennstoffrohr 19 und dem Pilotgasrohr 11 herangeführt und durch mehrere
Austrittsöffnungen 23 bzw. 23a-c im Lanzenkopf in die Einspritzkammer 8 eingedüst.
Die Austrittsöffnungen 23a-c werden dadurch gebildet, dass das Flüssigbrennstoffrohr
19 an der Spitze 21 einen Querschnitt in Form eines in die kreisförmige Bohrung des
Pilotgasrohres 11 einbeschriebenen Dreiecks aufweist (siehe Fig. 3(a)).
[0018] Zur Bildung des Luftschirmes ist nun im Frontbereich des Lanzenkopfes 12 eine Ringöffnung
17 vorgesehen, welche die zentrale Austrittsöffnung 22 des Flüssigbrennstoffkanals
20 konzentrisch umgibt. Die Ringöffnung 17 wird durch mehrere (drei) um die Lanzenachse
herum verteilt angeordnete Druckluftkanäle 18 bzw. 18a-c mit Druckluft aus dem Zwischenraum
13 versorgt. Die Druckluftkanäle 18 bzw. 18a-c liegen dabei in radialer Richtung ausserhalb
der Austrittsöffnungen 23 bzw. 23a-c, welche in die Ringöffnung 17 münden. Die Druckluftkanäle
18 bzw. 18a-c und die Innenwand der Ringöffnung 17 sind vorzugsweise schräg zur Brennerachse
bzw. Lanzenachse hin verlaufend ausgebildet. Dadurch bildet die austretende Druckluft
einen sich konisch verjüngenden Luftschirm, der eine Rückströmung von heissen Gasen
und/oder heissem Oel vom Einspritzraum 8 in eine der (gerade nicht benutzten) Austrittsöffnungen
22 bzw. 23, 23a-c wirksam unterbindet.
[0019] Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 wiedergegeben. Auch hier umfasst die
im Innenrohr 6 des Brenners 2 steckende Brennstofflanze 9 ein äusseres Pilotgasrohr
24, welches konzentrisch ein zentrales Flüssigbrennstoffrohr 31 umgibt. Die durch
die beiden Rohre 24 und 31 gebildeten Flüssigbrennstoff- und Pilotgaskanäle 32 bzw.
25 entsprechen den Kanälen 20 und 16 aus Fig. 3. Die Rohre 24 und 31 enden auch hier
in dem Lanzenkopf 12, der ebenfalls eine Ringöffnung 27 aufweist, welche die zentrale
Austrittsöffnung 33 für den Flüssigbrennstoffkanal 32 konzentrisch umgibt. Die Druckluft
für die Ringöffnung 27 wird aus dem ringförmigen Zwischenraum 26, der über die Einlassbohrungen
14, 15 mit dem Plenum in Verbindung steht, über eine Mehrzahl von (sechs) radial nach
innen gerichteten Druckluftkanälen 28 herangeführt. Das Pilotgas wird in diesem Ausführungsbeispiel
jedoch nicht in die Ringöffnung 27 eingedüst, sondern durch eine Mehrzahl von (sechs)
separaten Austrittsöffnungen 29, die mit dem Pilotgaskanal 25 über entsprechende Pilotgasbohrungen
30 in Verbindung stehen.
[0020] Die Austrittsöffnungen 29 liegen in diesem Fall ausserhalb der Ringöffnung 27. Der
mit der Ringöffnung 27 erzeugte Luftschirm schirmt damit nicht nur den Lanzenkopf
12 als Ganzes ab, sondern liegt auch trennend zwischen den Austrittsöffnungen 29 für
das Pilotgas und der Austrittsöffnung 33 für den Flüssigbrennstoff, wodurch insbesondere
eine Rückströmung zwischen den verschiedenen Austrittsöffnungen der Lanze wirksam
verhindert wird. Der beschränkte Platz im Lanzenkopf 12 wird dabei besonders gut ausgenutzt,
wenn die Austrittsöffnungen 29 für das Pilotgas bzw. die Pilotgasbohrungen 30 und
die Druckluftkanäle 28 um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum alternierend angeordnet
sind.
[0021] Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine Brenneranordnung, bei der mit geringem
Aufwand auf einfache Weise wirksam verhindert wird, dass heisse Gase und/oder heisses
Oel aus dem Brenner in die nicht benutzten Kanäle der Brennerlanze zurückströmen können.
BEZEICHNUNGSLISTE
[0022]
- 1
- Brenneranordnung
- 2
- Brenner (insb. Doppelkegelbrenner)
- 3,4
- Hauptgaskanal
- 5
- Einströmöffnung
- 6
- Innenrohr (Brenner)
- 7
- Plenum
- 8
- Einspritzraum
- 9
- Brennstofflanze
- 10
- Aussenrohr
- 11
- Pilotgasrohr
- 12
- Lanzenkopf
- 13
- Zwischenraum (ringförmig)
- 14,15
- Einlassbohrung (Druckluft)
- 16
- Pilotgaskanal
- 17
- Ringöffnung
- 18, 18a-c
- Druckluftkanal
- 19
- Flüssigbrennstoffrohr
- 20
- Flüssigbrennstoffkanal
- 21
- Spitze (Flüssigbrennstoffrohr)
- 22
- Austrittsöffnung (Flüssigbrennstoffkanal)
- 23,23a-c
- Austrittsöffnung (Pilotgaskanal)
- 24
- Pilotgasrohr
- 25
- Pilotgaskanal
- 26
- Zwischenraum (ringförmig)
- 27
- Ringöffnung
- 28
- Druckluftkanal
- 29
- Austrittsöffnung (Pilotgaskanal)
- 30
- Pilotgasbohrung
- 31
- Flüssigbrennstoffrohr
- 32
- Flüssigbrennstoffkanal
- 33
- Austrittsöffnung (Flüssigbrennstoffkanal)
1. Brenneranordnung (1) für eine Gasturbine, umfassend wenigstens einen im Plenum (7)
der Gasturbine angeordneten Brenner (2), welcher mit einem innenliegenden Einspritzraum
(8) in eine Brennkammer mündet und aussen mit Druckluft von einer Kompressorstufe
der Gasturbine beaufschlagt ist, sowie eine dem Brenner (2) zugeordnete Brennstofflanze
(9) für die wahlweise Zufuhr von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen, welche
Brennstofflanze (9) ein zentrales Flüssigbrennstoffrohr (19, 31) und ein das Flüssigbrennstoffrohr
(19, 31) konzentrisch umgebendes Pilotgasrohr (11, 24) aufweist, wobei die Rohre (11,
19, 24, 31) in einem Lanzenkopf (12) an der Spitze der Brennstofflanze (9) in zugehörigen
Austrittsöffnungen (22, 23, 23a-c, 29, 33) enden, und welche Brennstofflanze (9) mit
dem Lanzenkopf (12) in ein mit dem Einspritzraum (8) in Verbindung stehendes Innenrohr
(6) des Brenners (2) einführbar ist. dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz vor einem
Eindringen von heissen Gasen und/oder heissem Flüssigbrennstoff in die Austrittsöffnungen
(22, 23, 23a-c, 29, 33) der Rohre (11, 19, 24, 31) bei Nichtbenutzung dieser Rohre
im Lanzenkopf (12) in unmittelbarer Nähe der Austrittsöffnungen (22, 23, 23a-c, 29,
33) der Rohre (11, 19, 24, 31) eine zusätzliche Oeffnung (17, 27) vorgesehen ist,
durch welche Druckluft in den Einspritzraum (8) ausströmt, und dass Mittel vorgesehen
sind, welche Druckluft aus dem den Brenner (2) umgebenden Plenum (7) zu der zusätzlichen
Oeffnung (17, 27) führen.
2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Führung
der Druckluft einen Zwischenraum (13, 26) umfassen, welcher in Strömungsrichtung vor
dem Lanzenkopf (12) zwischen dem Pilotgasrohr (11) und dem Innenrohr (6) des Brenners
(2) angeordnet ist, dass der Zwischenraum (13, 26) mit dem den Brenner (2) umgebenden
Plenum (7) über wenigstens eine von aussen durch den Brenner (2) hindurch in das Innenrohr
(6) führende Einlassbohrung (14, 15) verbunden ist, und dass der Zwischenraum (13,
26) mit der zusätzlichen Oeffnung (17, 27) über wenigstens einen durch den Lanzenkopf
(12) geführten Druckluftkanal (18, 18a-c, 28) in Verbindung steht.
3. Brenneranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (13,
26) ringförmig ausgebildet ist und das Pilotgasrohr (11) konzentrisch umgibt.
4. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere
Einlassbohrungen (14, 15) um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeordnet
sind.
5. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere
Druckluftkanäle (18, 18a-c, 28) um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt
angeordnet sind.
6. Brenneranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftkanäle
(18, 18a-c, 28) in Strömungsrichtung schräg zur Brennerachse bzw. Lanzenachse hin
verlaufen.
7. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Austrittsöffnung (22, 33) für den Flüssigbrennstoff im Lanzenkopf (12) zentral angeordnet
ist, und dass die zusätzliche Oeffnung im Lanzenkopf (12) als Ringöffnung (17, 27)
ausgebildet ist, welche die zentrale Austrittsöffnung (22, 33) für den Flüssigbrennstoff
konzentrisch umgibt.
8. Brenneranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet. dass mehrere Austrittsöffnungen
(23, 23a-c) für das Pilotgas um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeordnet
sind, und dass die Austrittsöffnungen (23, 23a-c) in die Ringöffnung (17) münden.
9. Brenneranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Austrittsöffnungen
(29) für das Pilotgas um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeordnet
sind, und dass die Austrittsöffnungen (29) ausserhalb der Ringöffnung (27) liegen.
10. Brenneranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Druckluftkanäle
(28) um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeordnet sind, und dass
die Austrittsöffnungen (29) bzw. die Pilotgasbohrungen (30) und die Druckluftkanäle
(28) um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum alternierend angeordnet sind.