BRENNER FÜR EINE BRENNKAMMER EINER TURBOGRUPPE

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für eine Brennkammer einer Turbogruppe, insbesondere in einer Kraftwerksanlage, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Die DE 103 45 137 A1 zeigt eine für Gasturbinen vorgesehene Einspritzvorrichtung, die nach Art einer Lanze ausgebildet ist und freitragend in einen Brenner hineinragt. Am freien Ende der Lanze sind axiale Austragsöffnungen für Brennstoffe und Luft vorgesehen, derart, dass ein von einem Abschirmluftstrom ummantelter Brennstoffstrahl erzeugt wird. Zur Steuerung des Mengenverhältnisses zwischen Brennstoff und Abschirmluft ist vorgesehen, die an der Einspritzvorrichtung auftretenden Temperaturänderungen auszunutzen. Auf diese Weise soll eine automatische Anpassung an unterschiedliche Betriebszustände derart erreicht werden, dass dauernd ein optimaler Betrieb aufrechterhalten wird. Im Übrigen kann dieser Druckschrift der Hinweis entnommen werden, dass es bekannt ist, aerodynamische Methoden zur Flammenstabilisierung vorzusehen, wobei auf Drallströmungen verwiesen wird. Dabei wird hervorgehoben, dass die gesamte Strömung in drallstabilisierten Brennern außerordentlich empfindlich auf Änderungen des Strömungsfeldes reagiert.

[0003] Hinsichtlich der Anordnung der Lanze im Brenner werden keine genaueren Hinweise gegeben. Darüber hinaus werden auch keine genaueren Ausführungen bezüglich der Ausgestaltung des Brenners gemacht.

[0004] Aus der EP 1 526 333 A1 ist ein Brennstoffinjektor für Gasturbinen bekannt. Der Injektor besitzt ein stabartiges Endstück, welches am Kopf einer Wirbelkammer im Wesentlichen gleichachsig zur Längsachse dieser Kammer angeordnet ist. Diese Wirbelkammer mündet ausgangsseitig in einen Brennraum.

[0005] Das vorgenannte Endstück des Injektors besitzt einerseits axiale Ausgangsöffnungen über die Brennstoff als Flüssigkeitsstrahl ausgespritzt werden kann, andererseits sind Austragsöffnungen vorgesehen, über die der Brennstoff als verdampfender Flüssigkeitsstrahl ausspritzbar ist.

[0006] Die EP 0 704 657 A2 betrifft einen Brenner für Gasturbinen oder dergleichen. Dieser Brenner besteht anströmseitig aus einem Drallerzeuger und einer axial anschließenden Mischstrecke, wobei am Anfang eines Mischrohres eine besondere Übergangsgeometrie vorgesehen ist, derart, dass das Mischrohr von einer Drallströmung durchsetzt wird. Abströmungsseitig der Übergangsgeometrie sind in der Wandung der Mischstrecke Filmlegungsbohrungen angeordnet, welche eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Rohrwand bewirken. Ausgangsseitig mündet die Mischstrecke in eine Brennkammer, in welcher sich im Bereich eines Querschnittsprunges zwischen Mischstrecke und Brennkammer eine Rückströmzone ausbildet, die als Flammenhalter wirken soll. In einem zylindrischen Anfangsteil stromauf des Drallerzeugers ist eine zentrale Brennstoffdüse zur Eindüsung eines insbesondere flüssigen Brennstoffs in den Drallerzeuger angeordnet.

[0007] Die DE 10 2005 015 152 A1 betrifft einen Vormischbrenner für eine Gasturbinenbrennkammer. Dieser Brenner umfasst eine Oxidatorzuführeinrichtung zum Zuführen eines gasförmigen Oxidators in einen Mischraum, dem mittels einer Gasbrennstoffzuführeinrichtung gasförmiger Brennstoff und mittels einer Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung flüssiger Brennstoff zugeführt wird. Zur Verbesserung des Brennerbetriebes besitzt die Flüssigbrennstoffzuführeinrichtung mehrere mit einer Hauptzuführleitung kommunizierende Einspritzlöcher, welche so ausgestaltet sind, dass der erzeugte Spritzstrahl eine Komponente radial zu einer Hauptausströmrichtung des Brenners aufweist.

[0008] In der DE 103 34 228 A1 wird ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners beschrieben. Dieser besitzt verschiedene Gruppen von Eindüsungsöffnungen für Vormisch-Brennstoff sowie eine zentrale Brennstoffeindüsung mit mehreren Eindüsungsöffnungen. Dabei werden verschiedene Gruppen der Eindüsungsöffnungen unabhängig voneinander mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagt, um einerseits eine Vormischstufe und andererseits eine Diffusionsstufe des Vormischbrenners zu bilden. Im Ergebnis soll ein erweiterter Betriebsbereich des Vormischbrenners bei geringen Schadstoffemissionen realisiert werden.

[0009] Trotz des vielfältigen Standes der Technik besteht bei Brennern der eingangs angegebenen Art das Problem eines Flammenrückschlages aus der Brennkammer in das Brennerinnere hinein.

[0010] Derartige Flammenrückschläge sind auf Instabilitäten im Verbrennungsvorgang zurückzuführen.

Darstellung der Erfindung

[0011] Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Brenner der in EP 704657 genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Stabilität des Verbrennungsvorgangs im Brennraum auszeichnet.

[0012] Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0013] Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Lanze deutlich länger auszugestalten, so dass sie tiefer in Richtung Auslassöffnung in das Brennerinnere hineinragen kann. Hierbei wird die Erkenntnis genutzt, dass sich im Mischer für die Gemischströmung ein Geschwindigkeitsprofil ausbildet, das im Zentrum deutlich höhere Geschwindigkeiten aufweist als im Randbereich. Durch Verlängern der Lanze in Richtung Auslassöffnung bis in den Mischer kann die Geschwindigkeit im Zentrum herabgesetzt werden, während gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit in den Randbereichen zunimmt. Die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit im Randbereich wirkt jedoch einem Flammenrückschlag effektiv entgegen. Durch die gezielte, in Richtung der Auslassöffnung verschobene Positionierung der Lanze kann außerdem erreicht werden, dass sich eine Flammenfront, die im Betrieb der Brennkammer durch die Verbrennungsreaktion entsteht, zumindest teilweise bis in das Brennerinnere hineinragt. Dies ist auf die reduzierte Strömungsgeschwindigkeit im Zentrum des Geschwindigkeitsprofils im Mischer zurückzuführen. Durch die gezielte Positionierung beziehungsweise Verlängerung der Lanze kann somit die stationäre Flammenfront teilweise innerhalb des Brennerinneren verlaufen. Dies ist in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. Zum einen kann die gezielte Einbringung von Brennstoff in die Flammenfront mit Hilfe der Lanze verbessert werden, da der Abstand zwischen dem freistehenden Lanzenende und der Flammenfront reduziert ist. Zum anderen reduziert sich die Wechselwirkung zwischen mehreren Brennern der Brennkammer über den Brennraum, da der in das jeweilige Brennerinnere hineinragende Teil der Flammenfront bezüglich des jeweiligen Brenners vergleichsweise unabhängig von den anderen Brennern und somit stabil ist. Die vorgeschlagene Bauweise ermöglicht es somit insbesondere, Ergebnisse von Prüfstandsanlagen, die nur mit einem Brenner arbeiten, auf Industrieanlagen zu übertragen, bei denen die Brennkammer mehrere Brenner aufweist.

[0014] Gemäß der Erfindung weist die Lanze mehrere konzentrisch angeordnete Rohre auf ein zentrales Innenrohr, das einen zentralen Kanal für flüssigen Brennstoff enthält und am Lanzenende wenigstens eine axiale Austrittsöffnung aufweist. Außerdem ist ein hohlwandiges Außenrohr vorgesehen, welches das Innenrohr unter Ausbildung eines inneren Ringkanals umschließt und in seiner hohlen Wandung wenigstens einen äußeren Kanal für gasförmigen Brennstoff enthält. Dabei endet der innere Ringkanal am Lanzenende axial offen und dient zur Führung von Luft. Durch den vorgeschlagenen Aufbau mit konzentrischen Rohren kann über die Lanze einerseits flüssiger Brennstoff und andererseits gasförmiger Brennstoff wechselweise oder gleichzeitig zugeführt werden. Gleichzeitig ermöglicht die Luftführung durch den Ringkanal eine Kühlung der Lanze. Des weiteren macht die Luftführung durch den inneren Ringkanal eine Spülung des zentralen Kanals beziehungsweise des wenigstens einen äußeren Kanals entbehrlich, wenn über die Lanze nur gasförmiger oder nur flüssiger Brennstoff zugeführt wird. Darüber hinaus kann mit der über den inneren Ringkanal zugeführten Luft im Brennerinneren eine Medientrennung zwischen flüssigem Brennstoff und gasförmigen Brennstoff zumindest bis zur Flammenfront erzielt werden. Dies kann zur Realisierung einer stabilen Verbrennungsreaktion vorteilhaft sein.

[0015] Weitere wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Brenners ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0016] Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1

einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen Brenner,

Fig. 2

eine Ansicht wie in Fig. 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,

Fig. 3

eine Ansicht wie in den Fig. 1 und 2, jedoch bei ausgefahrener Lanze,

Fig. 4

eine Ansicht wie in den Fig. 1 und 2, jedoch mit einer detaillierteren Darstellung der Lanze,

Fig. 5

eine Darstellung wie in Fig. 4, jedoch bei einer anderen Ausführungsform der Lanze.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0017] Entsprechend den Fig. 1 bis 5 umfasst ein Brenner 1 einen Drallerzeuger 2, einen Mischer 3 und eine Lanze 4. Der Brenner 1 bildet im montierten Zustand einen Bestandteil einer im übrigen hier nicht gezeigten Brennkammer einer Turbogruppe, die insbesondere in einer Kraftwerksanlage angeordnet ist.

[0018] Der Drallerzeuger 2 umschließt einen eingangsseitigen Abschnitt eines Brennerinneren 5 und weist zumindest einen Lufteinlass 6 auf, der sich bezüglich einer Längsmittelachse 7 des Brenners 1 tangential erstreckt. Bei den gezeigten Beispielen ist der Drallerzeuger 2 kegelförmig ausgestaltet. Der jeweilige Lufteinlass 6 bildet dabei einen Längsschlitz entlang des Kegelmantels. Vorzugsweise sind mehrere derartige Lufteinlässe 6 in der Umfangsrichtung verteilt angeordnet. Hierdurch kann die Luft tangential in das Brennerinnere 5 eindringen, wodurch sie mit einem Drall beaufschlagt wird. Bei den gezeigten Beispielen weist der Drallerzeuger 2 außerdem einen Brennstoffeinlass 8 auf, über den gasförmiger Brennstoff in das Brennerinnere 5 einbringbar ist. Beispielsweise besteht dieser Brennstoffeinlass 8 aus mehreren, entlang der Mantellinie des kegelförmigen Drallerzeugers 2 verlaufenden Reihen von einzelnen Einlassöffnungen, durch die das Brennstoffgas in das Brennerinnere 5 eintreten kann. Dabei kann auch der Brennstoffeinlass 8 tangential ausgerichtet sein, um die Drallwirkung zu verstärken. Ebenso kann der Brennstoffeinlass 8 eine gewisse radiale Komponente erzeugen, um die Durchmischung mit der Luft zu verbessern.

[0019] Der Mischer 3 umschließt einen ausgangsseitigen Abschnitt des Brennerinneren 5 und weist eine Auslassöffnung 9 auf, die zu einem Brennraum 10 der Brennkammer hin offen ist. Der Mischer 3 umfasst beispielsweise einen Rohrkörper 11, der über ein rohrförmiges Übergangsstück 12 an den Drallerzeuger 2 angeschlossen ist und das einen Auslassflansch 13 mit der Auslassöffnung 9 trägt. Über den Auslassflansch 13 kann der Brenner 1 an die Brennkammer angeschlossen werden. Zweckmäßig ist der Mischer 3 zylindrisch geformt.

[0020] Die Lanze 4 dient zum Einbringen von Pilotbrennstoff in den Brennraum 10. Hierzu ist die Lanze 4 koaxial zur Längsmittelachse 7 angeordnet. Ferner erstreckt sich die Lanze 4 zumindest in einem Pilotbetrieb des Brenners 1 von einem Brennerkopf 14, der im wesentlichen die Spitze des kegelförmigen Drallerzeugers 2 bildet, in das Brennerinnere 5 hinein. Die Lanze 4 geht somit vom Brennerkopf 14 aus und endet mit einem Lanzenende 15 freistehend in einem vom Mischer 3 umschlossenen Abschnitt des Brennerinneren 5 in einem Abstand 17 von der Auslassöffnung 9, der grösser als 25% und kleiner als 50% des Abstands 18 ist, den ein auslassseitiges Ende 19 des Drallerzeugers 2 von der Auslassöffnung 9 aufweist.

[0021] Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist außerdem ein Teil einer Flammenfront 16 dargestellt, die sich im Betrieb der Brennkammer durch die im Brennraum 10 ablaufende Verbrennungsreaktion ausbildet. Erkennbar ragt ein Teil dieser Flammenfront 16 in das Brennerinnere 5 hinein, und zwar in einen Endabschnitt des Brennerinneren 5, das von einem auslassseitigen Endbereich des Mischers 3 umschlossen ist. Im gezeigten Beispiel verbleibt die Flammenfront 16 innerhalb des vom Auslassflansch 13 umschlossenen Abschnitts des Brennerinneren 5. Ein derartiger Verlauf der Flammenfront 16, bei dem ein Teil der Flammenfront 16 durch die Auslassöffnung 9 bis in das Brennerinnere 5 hineinragt, wird durch eine besondere Ausgestaltung und/oder Anordnung der Lanze 4 erreicht. Im Pilotbetrieb des Brenners 1 erstreckt sich die Lanze 4 mit ihrem freistehenden Ende 15 vergleichsweise weit in das Brennerinnere 5 hinein, nämlich soweit, dass sich ein Teil der Flammenfront 16 in das Brennerinnere 5 hinein erstreckt. Damit die Lanze 4 derart tief in das Brennerinnere 5 in Richtung Auslassöffnung 9 hineinragen kann, muss die Lanze 4 entsprechend ausgestaltet sein, damit sie die hierfür erforderlich axiale Länge aufweist. Bei den in den Fig. 1, 2, 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen ist die Lanze 4 im Brenner 1 so positioniert, dass sich ihr freistehendes Ende 15 in einem vom Mischer 3 umschlossenen Abschnitt des Brennerinneren 5 befindet. Mit anderen Worten, die Lanze 4 erstreckt sich bis in den Mischer 3 hinein. Dabei erstreckt sich die Lanze 4 mit ihrem freistehenden Ende 15 in axialer Richtung bis etwa zur Hälfte des Mischers 3 oder sogar darüber hinaus in den Mischer 3 hinein. In Fig. 2 ist der eingetragene Abstand 17, den das freistehende Lanzenende 15 von der Auslassöffnung 9 aufweist, größer als 25 % und kleiner als 50 % des Abstands 18, den das auslassseitige Ende 19 des Drallerzeugers 2 von der Auslassöffnung 9 besitzt.

[0022] Gemäß Fig. 2 kann am Brennerkopf 14 ein Einlassrohr 20 angeordnet sein, das sich koaxial zur Lanze 4 erstreckt. Dieses Einlassrohr 20 ragt dabei in axialer Richtung in einen vom Drallerzeuger 2 umschlossenen Abschnitt des Brennerinneren 5 hinein. Dieses Einlassrohr 20 kann einen ringförmigen Einlasskanal 21 für flüssigen Brennstoff ausbilden. Der Einlasskanal 21 weist wenigstens eine axial orientierte Austrittsöffnung 22 auf. Durch diese wenigstens eine axiale Austrittsöffnung 22 kann der Flüssigbrennstoff entsprechend Pfeilen 48 im wesentlichen in axialer Richtung in das Brennerinnere 5 eintreten. Der Brenner 1 kann somit mit Brennstoffgas und/oder mit Flüssigbrennstoff betrieben werden. Vorzugsweise sind mehrere derartige axiale Austrittsöffnungen 22 an den im Brennerinneren 5 endenden Ende des Einlassrohrs 20 angeordnet.

[0023] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Lanze 4 in axialer Richtung verstellbar am Brennerkopf 14 angeordnet sein. Somit ist die axiale Position des freistehenden Lanzenendes 15 innerhalb des Brennerinneren 5 einstellbar. Insbesondere lässt sich dadurch die Position des in das Brennerinnere 5 hineinragenden Teils der Flammenfront 16 einstellen. Mit Hilfe der längsverstellbaren Lanze 4 kann der Brenner 1 an Betriebsparameter der Brennkammer adaptiert werden, was eine Stabilisierung des Verbrennungsprozesses ermöglicht. Die Lanze 4 lässt sich somit bedarfsabhängig mehr oder weniger tief in das Brennerinnere 5 einfahren beziehungsweise mehr oder weniger weit aus dem Brennerinneren 5 ausfahren. Fig. 3 zeigt eine Situation, bei welcher die Lanze 4 weitgehend aus dem Brennerinneren 5 ausgefahren ist. Zweckmäßig endet das Lanzenende 15 dann an der dem Brennerinneren 5 zugewandten Innenseite des Brennerkopfs 14. In Fig. 3 ist zur vereinfachten Darstellung die Lanze 4 vollständig ausgefahren. Sie kann entsprechend einem Pfeil 23 wieder in das Brennerinnere 5 eingefahren werden. Bei der in Fig. 3 gezeigten Konfiguration ist die Flammenfront 16 vollständig außerhalb des Brennerinneren 5 angeordnet und sie befindet sich bezüglich der Strömungsrichtung des Brenners 1 stromab der Auslassöffnung 9.

[0024] In Fig. 3 ist vereinfacht ein Geschwindigkeitsprofil 24 dargestellt, das die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit entlang des Querschnitts des Brenners 1 innerhalb des Mischers 3 repräsentiert. Erkennbar besitzt die Strömung bei fehlender Lanze 4 im Zentrum ein signifikantes Maximum. Durch Einfahren der Lanze 4 bis in den beschriebenen Bereich innerhalb des Mischers 3 wird zwangsläufig die Strömungsgeschwindigkeit im Zentrum des Querschnitts des Mischers 3 reduziert. Gleichzeitig wird dadurch außerhalb der Lanze 4, also im Randbereich des Querschnitts, die Geschwindigkeit entsprechend erhöht, um einen konstanten Volumenstrom zu gewährleisten. Die Reduzierung der zentralen Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht es der Flammenfront 16 stromauf zu wandern. Bei entsprechender Positionierung und Ausgestaltung der Lanze 4 ragt die Flammenfront 16 teilweise in das Brennerinnere 5 hinein, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

[0025] In den Fig. 4 und 5 ist die Lanze 4 ebenfalls geschnitten dargestellt. Die nachfolgende Detailbeschreibung der Lanze 4 gilt dabei insbesondere auch für die Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3.

[0026] Entsprechend den Fig. 4 und 5 weist die Lanze 4 mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Rohre auf, nämlich ein zentrales Innenrohr 25 und ein Außenrohr 26. Das Innenrohr 25 enthält einen zentralen Kanal 27 und weist zumindest am freistehenden Lanzenende 15 angeordnete axial orientierte Austrittsöffnung 28 auf. Der zentrale Kanal 27 dient zur Zuführung von flüssigem Brennstoff zur wenigstens einen Austrittsöffnung 28. Im Beispiel ist das Innenrohr 25 im Bereich der Austrittsöffnung 28 mit einer düsenförmigen Querschnittsverengung 29 ausgestattet, was die Ausbildung eines intensiven Flüssigkeitsstrahls ermöglicht. Dieser flüssige Brennstoffstrahl ist in den Fig. 4 und 5 durch einen Pfeil 32 angedeutet. Das Außenrohr 26 ist so bemessen, dass es das Innenrohr 25 unter Ausbildung eines inneren Ringkanals 30 umschließt. Dieser innere Ringkanal 30 ist am Lanzenende 15 axial offen und mündet somit in das Brennerinnere 5. Der innere Ringkanal 30 dient zur Führung von Luft, die entsprechend einem Pfeil 31 in axialer Richtung aus dem inneren Ringkanal 30 austreten kann.

[0027] Das Außenrohr 26 ist hohlwandig ausgestaltet, das heißt, das Außenrohr 26 besitzt eine hohle Wandung 33 mit einer Innenwand 34 und einer dazu radial beabstandeten Außenwand 35. In der hohlen Wandung 33 enthält das Außenrohr 26 zumindest einen äußeren Kanal 36 (Fig. 4) beziehungsweise 37 (Fig. 5).

[0028] Dieser wenigstens eine äußere Kanal 36, 37 dient zur Zuführung von gasförmigen Brennstoff. Der äußere Kanal 36, 37 kann als Ringkanal ausgestaltet sein, der einfach zwischen den beiden Wänden 34, 35 der Wandung 33 ausgebildet ist. Dieser äußere Ringkanal 36 beziehungsweise 37 kann gemäß Fig. 4 zumindest eine axial orientierte Austrittsöffnung 38 am Lanzenende 15 aufweisen, wodurch sich eine im wesentlichen axial orientierte Eindüsung von Brennstoffgas entsprechend einem Pfeil 39 erzielen lässt. Zusätzlich oder alternativ kann in einem in Fig. 5 mit einer geschweiften Klammer gekennzeichneten Lanzenendabschnitt 40, der das freistehende Lanzenende 15 aufweist, eine Anordnung von mehreren radialen Austrittsöffnungen 41 vorgesehen sein. Diese radialen Austrittsöffnungen 41 sind vorzugsweise in der Außenwand 35 der hohlen Wandung 33 des Außenrohrs 26 ausgebildet. Hierdurch kann eine im wesentlichen radial orientierte Eindüsung des Brennstoffgases ins Brennerinnere 5 realisiert werden. Der so radial eingedüste gasförmige Brennstoff wird dabei entsprechend Pfeilen 42 aufgrund der herrschenden axialen Strömung im Brennerinneren in die Axialrichtung umgelenkt.

[0029] Um bei einem äußeren Ringkanal 36 beziehungsweise 37 die axiale Eindüsung 39 und die radiale Eindüsung 42 wahlweise realisieren zu können, kann eine entsprechende Steuerung vorgesehen sein, die beispielsweise mit einem hülsenförmigen Steuerelement arbeitet, das sich in einer ersten Stellung vor die radialen Austrittsöffnungen 41 legt, während es in einer zweiten Stellung die wenigstens eine axiale Austrittsöffnung 38 sperrt. Vorzugsweise sind dabei mehrere, in Umfangsrichtung verteilt angeordnete axiale Austrittsöffnungen 38 am axialen Ende des Außenrohrs 26 angeordnet.

[0030] Alternativ dazu kann in der hohlen Wandung 33 zumindest ein erster äußerer Kanal 36 ausgebildet sein, der am Lanzenende 15 zu der wenigstens einen axialen Austrittsöffnung 38 führt. Zusätzlich dazu kann in der hohlen Wandung 33 zumindest ein zweiter äußerer Kanal 37 ausgebildet sein, der zu wenigstens einer der im Lanzenendabschnitt 40 ausgebildeten radialen Austrittsöffnungen 41 führt. Fig. 4 zeigt dabei beispielsweise einen Schnitt durch die ersten äußeren Kanäle 36, während Fig. 5 einen Schnitt durch die zweiten äußeren Kanäle 37 zeigt. Die ersten und zweiten äußeren Kanäle 36, 37 können eingangsseitig an verschiedene, unabhängig voneinander betätigbare Versorgungseinrichtungen oder Steuereinrichtungen angeschlossen sein. Hierdurch ist es möglich, die Einbringung des gasförmigen Brennstoffs wahlweise nur durch die wenigstens eine axiale Austrittsöffnung 38 oder nur durch die wenigstens eine radiale Austrittsöffnung 41 oder sowohl durch die wenigstens eine axiale Austrittsöffnung 38 als auch durch die wenigstens eine radiale Austrittsöffnung 41 einzubringen.

[0031] Bei den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen ragt das Innenrohr 25 axial über das Außenrohr 26 vor. Hierdurch kann eine gewisse Medientrennung beim Betrieb der Lanze 4 zum Einspritzen des Flüssigbrennstoffs und zum Eindüsen des Brennstoffgases erzielt werden. Diese Medientrennung kann außerdem durch die eingeblasene Luft 31 unterstützt werden.

[0032] Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist außerdem das am Brennerkopf 14 angeordnete Einlassrohr 20 hohlwandig ausgestaltet, so dass es eine hohle Wandung 43 mit einer Innenwand 44 und einer Außenwand 45 besitzt. Das hohlwandige Einlassrohr 20 ist hier außerdem so dimensioniert, dass es die Lanze 4 bzw. das Außenrohr 26 unter Ausbildung eines axial offenen Ringkanals 46 umschließt. Durch diesen Ringkanal 46 kann entsprechend einem Pfeil 47 Luft in das Brennerinnere eingeblasen werden. Hierdurch kann eine effektive Kühlung der Lanze im Bereich des Brennerkopfs 14 erzielt werden. Der Einlasskanal 21, der zum Einbringen des flüssigen Brennstoffs entsprechend Pfeilen 48 dient, ist dabei in der hohlen Wandung 43 ausgebildet und kann insbesondere ebenfalls ringförmig ausgestaltet sein.

[0033] Die Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere Besonderheit. Bei diesen Ausführungsformen ist eine Wandung 49 des Mischers 3 mit einer Filmkühlung 50 ausgestattet. Eine derartige Filmkühlung 50 wird beispielsweise mittels mehrerer Kühlbohrungen 51 realisiert, welche die entsprechende Wandung 49 durchsetzen und von Kühlmittel durchströmbar sind, das sich an der dem Brennerinneren 5 zugewandten Seite der Wandung 49 anlegt und dadurch einen die Wandung 49 schützenden Kühlfilm generiert. Als Kühlmittel dient in der Regel Luft. Die Kühlbohrungen 51 können wie hier gezeigt in der Hauptströmungsrichtung des Brenners 1 angestellt sein, um die Ausbildung eines Kühlfilms zu verbessern.

Bezugszeichenliste

[0034] 

1

Brenner

2

Drallerzeuger

3

Mischer

4

Lanze

5

Brennerinneres

6

Lufteinlass

7

Längsmittelachse

8

Brenngaseinlass

9

Auslassöffnung

10

Brennraum

11

Rohrkörper

12

Übergangsstück

13

Auslassflansch

14

Brennerkopf

15

freistehendes Lanzenende

16

Flammenfront

17

Abstand zwischen 9 und 4

18

Abstand zwischen 9 und 19

19

abströmseitiges Ende von 2

20

Einlassrohr

21

Einlasskanal

22

Einlassöffnung

23

Einfahrbewegung von 4

24

Geschwindigkeitsprofil

25

Innenrohr

26

Außenrohr

27

zentraler Kanal

28

Austrittsöffnung

29

Düse

30

innerer Ringkanal

31

Luftströmung

32

Flüssigbrennstoffströmung

33

hohle Wandung

34

Innenwand

35

Außenwand

36

(erster) äußerer Kanal

37

(zweiter) äußerer Kanal

38

axiale Austrittsöffnung

39

Brenngasströmung

40

Lanzenendabschnitt

41

radiale Austrittsöffnung

42

Brenngasströmung

43

hohle Wandung

44

Innenwand

45

Außenwand

46

Ringkanal

47

Luftströmung

48

Flüssigbrennstoffströmung

49

Wandung von 3

50

Filmkühlung

51

Kühlbohrung

Ansprüche

1. Brenner für eine Brennkammer einer Turbogruppe, zumindest umfassend einen Drallerzeuger (2), einen Mischer (3) und eine Brennstoffeinspritzvorrichtung in Form einer Lanze (4), die für eine in einem Brennraum (10) ablaufende Verbrennungsreaktion Luft und Brennstoffe in ein Brennerinneres (5) einbringt, wobei der Drallerzeuger (2), der das Brennerinnere (5) eingangsseitig umschließt, zumindest einen bezüglich einer Längsmittelachse (7) tangentialen Lufteinlass (6) aufweist, und der Mischer (3), der das Brennerinnere (5) ausgangsseitig umschließt, eine zum Brennraum (10) hin offene Auslassöffnung aufweist, und die koaxial zur Längsmittelachse (7) angeordnete Lanze (4) zum Einbringen von Pilotbrennstoff in einem Pilotbetrieb des Brenners (1) sich von einem Brennerkopf (14) ausgehend in das Brennerinnere (5) hinein erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (4) sich zumindest im Pilotbetrieb des Brenners (1) so weit in das Brennerinnere (5) hinein erstreckt, dass sich eine Flammenfront (16) der im Brennraum (10) ablaufenden Verbrennungsreaktion zumindest teilweise bis in einen von einem auslassseitigen Endbereich des Mischers (3) umschlossenen Endabschnitt des Brennerinneren (5) hinein erstreckt, indem die Lanze (4) zumindest im Pilotbetrieb des Brenners (1) mit ihrem auslassseitigen Ende (15) in einem von dem Mischer (3) umschlossenen Abschnitt des Brennerinneren (5) angeordnet ist und ein Abstand (17) des Lanzenendes (15) von der Auslassöffnung (9) grösser als 25% und kleiner als 50% des Abstands (18) ist, den ein auslassseitiges Ende (19) des Drallerzeugers (2) von der Auslassöffnung (9) aufweist, und dass die Lanze (4) mehrere konzentrisch angeordnete Rohre (25, 26) aufweist, dass ein zentrales Innenrohr (25) einen zentralen Kanal (27) für flüssigen Brennstoff enthält und am Lanzenende (15) wenigstens eine axiale Austrittsöffnung (28) aufweist, dass ein hohlwandiges Aussenrohr (26) das Innenrohr (25) unter Ausbildung eines inneren Ringkanals (30) umschliesst und in seiner hohlen Wandung (33) wenigstens einen äusseren Kanal (36, 37) für gasförmigen Brennstoff enthält, und dass der innere Ringkanal (30) am Lanzenende (15) axial offen endet und zur Führung von Luft dient.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (4) längsverstellbar am Brennerkopf (14) angeordnet ist, so dass sie bedarfsabhängig mehr oder weniger tief in das Brennerinnere (5) einfahrbar und daraus mehr oder weniger weit ausfahrbar ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Brennerkopf (14) ein Einlassrohr (20) angeordnet ist, das koaxial zur Lanze (4) in den vom Drallerzeuger (2) umschlossenen Abschnitt des Brennerinneren (5) hineinragt und das einen ringförmigen Einlasskanal (21) für flüssigen Brennstoff ausbildet, der wenigstens eine axiale Austrittsöffnung (22) aufweist.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassrohr (20) hohlwandig ausgestaltet ist, dass das Einlassrohr (20) die Lanze (4) unter Ausbildung eines axial offenen Ringkanals (46) für Luft umschliesst, und dass der Einlasskanal (21) in der hohlen Wandung (43) des Einlassrohrs (20) ausgebildet ist.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Kanal (36, 37) in der hohlen Wandung (33) des Aussenrohrs (26) als Ringkanal ausgestaltet ist, der am Lanzenende (15) wenigstens eine axiale Austrittsöffnung (28) aufweist, und/oder der in einem das Lanzenende (15) aufweisenden Lanzenendabschnitt (40) mehrere radiale Austrittsöffnungen (41) aufweist.

6. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der hohlen Wandung (33) des Aussenrohrs (26) zumindest ein (erster) äusserer Kanal (36) ausgebildet ist, der am Lanzenende (15) wenigstens eine axiale Austrittsöffnung (28) aufweist, und/oder dass in der hohlen Wandung (33) des Aussenrohrs (26) zumindest ein (zweiter) äusserer Kanal (37) ausgebildet ist, der in einem das Lanzenende (15) aufweisenden Lanzenendabschnitt (40) mehrere radiale Austrittsöffnungen (41) aufweist.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (25) axial über das Aussenrohr (26) vorsteht.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung (49) des Mischers (3) mit Filmkühlung (50) ausgestattet ist.

Claims

1. Burner for a combustion chamber of a turbo group, at least comprising a swirl generator (2), a mixer (3), and a fuel injection device in the form of a lance (4) which introduces air and fuel into a burner interior (5) for a combustion reaction taking place in a combustion chamber (10), wherein the swirl generator (2) which surrounds the burner interior (5) on the inlet side has at least one air inlet (6) which is tangential with respect to a longitudinal centre axis (7), and the mixer (3) which surrounds the burner interior (5) on the outlet side has an outlet opening which is open towards the combustion chamber (10), and the lance (4) arranged coaxially to the longitudinal centre axis (7) for introduction of pilot fuel in a pilot operation of the burner (1) extends starting from a burner head (14) into the burner interior (5),

characterised in that at least in pilot operation of the burner (1), the lance (4) extends so far into the burner interior (5) that a flame front (16) of the combustion reaction taking place in the combustion chamber (10) extends at least partially into an end portion of the burner interior (5) surrounded by an outlet-side end region of the mixer (3), in that at least in pilot operation of the burner (5), the lance (4) is arranged with its outlet-side end (15) in a portion of the burner interior (5) which is surrounded by the mixer (3), and a distance (17) of the lance end (15) from the outlet opening (9) is greater than 25% and less than 50% of the distance (18) of an outlet-side end (19) of the swirl generator (2) from the outlet opening (9);

and that the lance (4) comprises several concentrically arranged tubes (25, 26);

that a central inner tube (25) contains a central channel (27) for the liquid fuel and has at least one axial outlet opening (28) at the lance end (15);

that a hollow-walled outer tube (26) surrounds the inner tube (25), forming an inner ring channel (30), and contains at least one outer channel (36, 37) for gaseous fuel in its hollow wall (33);

and that the inner ring channel (30) is axially open at the lance end (15) and serves to guide air.

2. Burner according to claim 1, characterised in that the lance (4) is arranged length-adjustably on the burner head (14) so that depending on need, it can be introduced more or less deeply into and withdrawn more or less further from the burner interior (5).

3. Burner according to claim 1 or 2, characterised in that an inlet tube (20) is arranged on the burner head (14), and protrudes coaxially to the lance (4) into the portion of the burner interior (5) surrounded by the swirl generator (2), and forms an annular inlet channel (21) for liquid fuel which has at least one axial outlet opening (22).

4. Burner according to claim 3, characterised in that the inlet tube (20) has hollow walls, that the inlet tube (20) surrounds the lance (4), forming an axially open ring channel (46) for air, and that the inlet channel (21) is formed in the hollow wall (43) of the inlet tube (20).

5. Burner according to claim 1, characterised in that the outer channel (36, 37) is formed in the hollow wall (33) of the outer tube (26) as a ring channel which has at least one axial outlet opening (28) at the lance end (15), and/or the lance end portion (40) comprising the lance end (15) has several radial outlet openings (41).

6. Burner according to claim 1, characterised in that at least one (first) outer channel (36) is formed in the hollow wall (33) of the outer tube (26) and has at least one axial outlet opening (28) at the lance end (15), and/or at least one (second) outer channel (37) is formed in the hollow wall (33) of the outer tube (26) and has several radial outlet openings (41) in a lance end portion (40) comprising the lance end (15).

7. Burner according to one of claims 1 or 5 to 6, characterised in that the inner tube (25) protrudes axially over the outer tube (26).

8. Burner according to any of claims 1 to 7, characterised in that a wall (49) of the mixer (3) is equipped with film cooling (50).

Revendications

1. Brûleur pour une chambre de combustion d'un turbogroupe, comprenant au moins un générateur de tourbillonnement (2), un mélangeur (3) et un dispositif d'injection de combustible sous forme d'une lance (4), qui introduit de l'air et des combustibles dans un intérieur de brûleur (5) pour une réaction de combustion se déroulant dans une chambre de combustion (10), dans lequel le générateur de tourbillonnement (2), qui entoure l'intérieur de brûleur (5) côté entrée, présente au moins une entrée d'air (6) tangentielle par rapport à un axe longitudinal médian (7), et le mélangeur (3), qui entoure l'intérieur de brûleur (5) côté sortie, présente une ouverture de sortie ouverte en direction de la chambre de combustion (10), et la lance (4) disposée de manière coaxiale par rapport à l'axe longitudinal médian (7) pour l'introduction de combustible pilote dans un mode pilote du brûleur (1) s'étend à partir d'une tête de brûleur (14) dans l'intérieur de brûleur (5), caractérisé en ce que la lance (4) s'étend au moins dans le mode pilote du brûleur (1) si loin dans l'intérieur de brûleur (5) qu'un front de flamme (16) de la réaction de combustion se déroulant dans la chambre de combustion (10) s'étend au moins en partie jusque dans une partie d'extrémité de l'intérieur de brûleur (5) entourée par une zone d'extrémité côté sortie du mélangeur (3), du fait que la lance (4) est disposée au moins dans le mode pilote du brûleur (1) avec son extrémité côté sortie (15) dans une partie de l'intérieur de brûleur (5) entourée par le mélangeur (3) et une distance (17) de l'extrémité de lance (15) par rapport à l'ouverture de sortie (9) est supérieure à 25 % et inférieure à 50 % de la distance (18) qu'une extrémité côté sortie (19) du générateur de tourbillonnement (2) présente par rapport à l'ouverture de sortie (9) -, et que la lance (4) présente plusieurs tubes (25, 26) disposés de manière concentrique, qu'un tube intérieur central (25) contient un canal central (27) pour un combustible liquide et présente au moins une ouverture de sortie (28) axiale à l'extrémité de lance (15), qu'un tube extérieur (26) à paroi creuse entoure le tube intérieur (25) avec formation d'un canal annulaire intérieur (30) et contient dans sa paroi creuse (33) au moins un canal extérieur (36, 37) pour un combustible gazeux, et que le canal annulaire intérieur (30) termine de manière ouverte axialement à l'extrémité de lance (15) et sert au guidage d'air.

2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lance (4) est disposée sur la tête de brûleur (14) de manière réglable en longueur, de sorte qu'en fonction des besoins elle peut rentrer plus ou moins profondément dans l'intérieur de brûleur (5) et peut en sortir plus ou moins loin.

3. Brûleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un tube d'entrée (20), qui fait saillie de manière coaxiale par rapport à la lance (4) dans la partie de l'intérieur de brûleur (5) entourée par le générateur de tourbillonnement (2) et qui réalise un canal d'entrée annulaire (21) pour un combustible liquide, qui présente au moins une ouverture de sortie axiale (22), est disposé sur la tête de brûleur (14).

4. Brûleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube d'entrée (20) est conçu avec une paroi creuse, que le tube d'entrée (20) entoure la lance (4) avec formation d'un canal annulaire (46) ouvert axialement pour l'air, et que le canal d'entrée (21) est réalisé dans la paroi creuse (43) du tube d'entrée (20).

5. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal extérieur (36, 37) est conçu dans la paroi creuse (33) du tube extérieur (26) en tant que canal annulaire, qui présente à l'extrémité de lance (15) au moins une ouverture de sortie axiale (28), et/ou qui présente dans une partie d'extrémité de lance (40) présentant l'extrémité de lance (15) plusieurs ouvertures de sortie radiales (41).

6. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un (premier) canal extérieur (36), qui présente à l'extrémité de lance (15) au moins une ouverture de sortie axiale (28), est réalisé dans la paroi creuse (33) du tube extérieur (26), et/ou qu'au moins un (deuxième) canal extérieur (37), qui présente dans une partie d'extrémité de lance (40) présentant l'extrémité de lance (15) plusieurs ouvertures de sortie radiales (41), est réalisé dans la paroi creuse (33) du tube extérieur (26).

7. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 5 à 6, caractérisé en ce que le tube intérieur (25) fait saillie axialement du tube extérieur (26).

8. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une paroi (49) du brûleur (3) est équipée d'un refroidissement pelliculaire (50).

Zeichnung