Brennstofflanze für einen Brenner

Abstract

 Brennstofflanze (5) für einen Brenner, insbesondre für einen Gasturbinenbrenner, mit einer Spitze (21), welche eine Düsenfläche (23) mit wenigstens zwei Brennstoffdüsen (7) aufweist, wobei die Düsenfläche zwischen den Brennstoffdüsen mit Schlitzen (33) versehen ist.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennerlanze, bspw. für einen Gasturbinenbrenner, und insbesondere eine Brennstofflanze für flüssige Brennstoffe.

[0002] Derartige Brennstofflanzen kommen beispielsweise bei Brennern zum Einsatz, die sowohl mit flüssigem Brennstoff, als auch mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden können. In der Regel ist die Lanze zum Betrieb mit den flüssigen Brennstoffen, beispielsweise Öl, vorgesehen. Das Öl strömt dann durch die Lanze und tritt an ihrer Spitze durch Öldüsen in eine Brennkammer aus. Nach dem Austritt aus der Düse wird das Öl in der Brennkammer, in die auch Verdichterluft eingebracht wird, verbrannt. Gasförmige Brennstoffe werden dagegen häufig in einen die Düsenlanze umgebenden Luftzufuhrkanal eingedüst und dort mit Verdichterluft gemischt, bevor das Gemisch in die Brennkammer eingebracht wird.

[0003] Beim Betrieb mit gasförmigen Brennstoffen ist die Lanzenspitze wegen der nahen Flamme in der Regel hohen Temperaturen im Bereich von bis zu ca. 1.000°C ausgesetzt. Diese hohen Temperaturen können zu einer Verkokung von Rückständen flüssiger Brennstoffe in der Düsenlanze führen. Vor einem Umschalten des Brenners auf einen Betrieb mit einem flüssigen Brennstoff erfolgt daher in der Regel eine Spülung der Brennstoffpassagen in der Brennstofflanze mit einem Kühlwasser, um eventuelle Ablagerungen wegzuspülen. Die Temperatur des Kühlwassers beträgt jedoch nur ca. 25°C, was zu einem Thermoschock in der heißen Brennstofflanze führen kann. Dabei bilden sich im Bereich der Düsen hohe Temperaturgradienten aus, so dass erhebliche Thermospannungen in der Lanzenspitze auftreten können. Durch das wiederholte Auftreten solcher Thermospannungen kann es zu Rissen im Bereich der Düsen kommen, wodurch die Startzahlen und somit die Lebensdauer der Brennstoffdüse verringert werden.

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Brennstofflanze für die Verwendung in einem Brenner, insbesondere in einem Gasturbinenbrenner, zur Verfügung zu stellen, welche die genannten Nachteile zu überwinden hilft. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen vorteilhaften Brennen, insbesondere einen Gasturbinenbrenner, zur Verfügung zu stellen.

[0005] Die erste Aufgabe wird durch eine Brennstofflanze für einen Brenner, insbesondere für einen Gasturbinenbrenner, nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch einen Brenner, insbesondere einen Gasturbinenbrenner nach Anspruch 8. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

[0006] Eine Brennerstofflanze für einen Brenner, insbesondere für einen Gasturbinenbrenner, umfasst eine Spitze, welche eine Düsenfläche mit wenigstens zwei Brennstoffdüsen aufweist. Die Düsenfläche ist zwischen den Brennstoffdüsen mit Schlitzen versehen. Sie kann insbesondere als Ringfläche ausgebildet sein, etwa als konische Ringfläche, wobei die Schlitze senkrecht zur Umfangsrichtung der Ringfläche durch diese verlaufen.

[0007] Die Schlitze in der Düsenfläche erlauben der Lanzenspitze das Abbauen thermischer Spannungen durch freie Verformung, so das thermische Gradienten die Brennstofflanze weniger belasten. Die Schlitze haben keinen wesentlichen aerodynamischen Einfluss auf die an der Brennstofflanze entlang strömende Luft oder auf Brennstoff, der durch die Brennstoffdüsen in den Luftstrom eingedüst wird. Die Schlitze bedeuten auch lediglich eine geringfügige Modifikation der Brennstofflanze, die zudem mit sehr geringem Aufwand vorgenommen werden kann. Daher können bestehende Brennstofflanzen mit geringem Aufwand nachgerüstet werden, wodurch sich die möglichen Startzahlen und die Lebensdauer dieser Brennstofflanze erhöhen.

[0008] In der Spitze können Kühlluftkanäle vorhanden sein, die zwischen den Brennstoffdüsen unterhalb der Düsenfläche verlaufen. Beispielsweise mittels durch die Kühlfluidkanäle hindurchgeleiteter Verdichterluft kann die Spitze der Brennstofflanze während des Betriebs des Brenners gekühlt werden, um die Temperatur der Spitze so gering wie möglich zu halten, und so das Auftreten von Thermospannungen während des Spülens der Brennstofflanze weiter zu vermindern. Die Schlitze reichen dann idealerweise von der Düsenfläche bis zu dem jeweiligem Kühlfluidkanal. Mit anderen Worten, die Schlitze bilden Durchgangsöffnungen von der Düsenfläche bis zum Kühlfluidkanal. Diese Ausgestaltung erlaubt eine besonderes hohe Flexibilität der entsprechenden Materialbereiche zum Abbau von Thermospannungen.

[0009] Wenn die Ringfläche eine konische Ringfläche ist, kann die Spitze der Brennstofflanze die Form eines Kegelstumpfes besitzen. In diesem Fall bildet die Mantelfläche des Kegelstumpfes die Düsenfläche, und die Kühlfluidkanäle weisen zumindest zur Deckfläche des Kegelstumpfes hin offene Austrittöffnungen auf. Alternativ oder zusätzlich zu den erwähnten Austrittsöffnungen können um die Brennstoffdüsen herum Durchgangsöffnungen vorhanden sein, die mit den Luftzufuhrkanälen in strömungstechnischer Verbindung stehen. Durch diese Öffnungen austretende Verdichterluft kann dann dazu Verwendung finden, die Spitze der Lanze insbesondere im Bereich der zu spulenden Düsen zu kühlen. Beim Vorhandensein solcher Durchgangsöffnungen kann zwischen den Durchgangsöffnungen benachbarter Brennstoffdüsen insbesondere jeweils ein Schlitz angeordnet sein.

[0010] Ein erfindungsgemäßer Brenner, der insbesondere ein Gasturbinenbrenner sein kann, ist mit einer erfindungsgemäßen Brennstofflanze ausgestattet. Die Brennstofflanze kann hierbei zur Zufuhr eines flüssigen Brennstoffes Verwendung finden, wobei zusätzlich zur Brennstofflanze Brennstoffdüsen für gasförmige Brennstoffe vorhanden sein können.

[0011] Die Verwendung der erfindungsgemäßen Brennstofflanze im erfindungsgemäßen Brenner führt aufgrund der erhöhten Lebensdauer der Brennstofflanze dazu, dass die Wartungsintervalle für einen solchen Brenner verlängert werden können, was die Betriebskosten senkt.

[0012] Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

[0013] Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Brenner in einer geschnittenen Darstellung.

[0014] Fig. 2 zeigt die Spitze der Düsenlanze des erfindungsgemäßen Brenners in Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung.

[0015] Fig. 3 zeigt die Spitze aus Fig. 2 in einer Ansicht auf ihre Vorderseite.

[0016] Als ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Brenner ist in Fig. 1 ein Gasturbinenbrenner dargestellt. Dieser weist einen von einer im Wesentlichen zylinderförmigen Wand 1 begrenzten Luftzufuhrkanal 3 auf, in dessen Zentrum eine Brennstofflanze 5 verläuft. An der Spitze der Brennstofflanze sind Brennstoffdüsen 7 zum Eindüsen eines Brennstoffes in die durch den Luftzufuhrkanal 3 zugeführte Luft vorhanden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Brennstofflanze 5 eine Öllanze zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffes.

[0017] Neben der Brennstofflanze umfasst der Brenner ein zweites Brennstoffzufuhrsystem 9, welches eine axiale Durchführung 11 besitzt, durch die die Brennstofflanze 5 hindurchgeführt ist, so dass lediglich der Endabschnitt 13 der Brennstofflanze 5 aus dem Brennstoffzufuhrsystem 9 herausragt. Das Brennstoffzufuhrsystem 9 ist mit Drallschaufeln 15 verbunden, die sich am abströmseitigen Ende des Brennstoffzufuhrsystems 9 befinden und sich durch den Luftzufuhrkanal 3 erstrecken. Mittels Brennstoffzufuhrkanälen 17 wird ein Brennstoff, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein gasförmiger Brennstoff, in die Drallschaufeln 15 geleitet, von wo er durch Düsenöffnungen 19 in die durch den Luftzufuhrkanal 3 strömende Luft eingedüst wird.

[0018] Bei dem in Fig. 1 dargestellten Brenner handelt es sich um einen sogenannten "Dual Fuel Brenners", also einen Brenner, der sowohl mit gasförmigen Brennstoffen, als auch mit flüssigen Brennstoffen betrieben werden kann. Die Erfindung kann jedoch auch im Rahmen von Brennern realisiert werden, in denen sowohl durch das Brennstoffzufuhrsystem, als auch durch die Brennstofflanze jeweils ein Brennstoff im selben Aggregatzustand zugeführt wird, also beispielsweise im Rahmen eines Brenners, in dem sowohl durch das Brennstoffzufuhrsystem, als auch durch die Brennstofflanze jeweils ein gasförmiger Brennstoff zugeführt wird. Beispielsweise kann dann die Brennstofflanze als Pilotbrenner Verwendung finden.

[0019] Eine perspektivische Darstellung des Endabschnittes 13 der Brennstofflanze 5 ist in Fig. 2 gezeigt. Fig. 3 zeigt außerdem eine Frontalansicht auf den Endabschnitt in Blickrichtung entlang der Axialrichtung der Brennstofflanze 5.

[0020] Mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 wird nun nachfolgend die Endabschnitt 13 näher beschrieben. Der Endabschnitt 13 umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt 20, an dem sich eine im Wesentlichen kegelstumpfförmige Spitze 21 anschließt. In der Mantelfläche 23 der kegelstumpfförmigen Spitze 21 sind drei Brennstoffdüsen 7 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet, wie insbesondere Fig. 3 erkennen lässt. Es sei an dieser Stelle aber darauf hingewiesen, dass eine Spitze mit drei Brennstoffdüsen lediglich eine mögliche Ausführungsvariante darstellt und dass mehr oder weniger Brennstoffdüsen oder eine andere Verteilung der Düsen in der Mantelfläche möglich sind.

[0021] Zum Kühlen der Spitze 21 ist diese mit Kühlluftkanälen 25 versehen, die in eine zentrale Öffnung 27 münden. Diese befindet sich dort, wo die Deckfläche des Kegelstumpfes verläuft. Gespeist werden die Kühlluftkanäle 25 durch Speiseöffnungen 29 im zylinderförmigen Abschnitt 20 des Endabschnittes 13 der Düsenlanze 5. Beim Betrieb des Brenners strömt ein Teil der durch den Luftzufuhrkanal 3 einströmenden Luft durch die Speiseöffnungen 29 in die Kühlluftkanäle 25. Diese Luft weist Temperaturen auf, die kühler sind, als die Temperatur der Spitze 21. Dennoch wird die Spitze 21 beim Gasbetrieb des dargestellten Brenners durch die im Flammenraum vorherrschende Flamme auf Temperaturen von rund 800 bis 1.000°C aufgeheizt.

[0022] Wenn vom Gasbetrieb, bei dem der gasförmige Brennstoff durch das Brennstoffzufuhrsystem 9 zugeführt wird, auf den Ölbetrieb umgestellt werden soll, in dem der Brennstoff durch die Brennstofflanze zugeführt wird, erfolgt eine Spülung der Brennstoffpassage 31 und der Brennstoffdüsen 7 der Brennstofflanze 5, um Verkokungen zu vermeiden. Dieses Spülen wird typischerweise mit Wasser durchgeführt, welches eine Temperatur von etwa 25°C besitzt. Aufgrund der hohen Temperaturdifferenz zwischen dem Spülwasser einerseits und der Spitze 21 andererseits kommt es hierbei in der Spitze zu Thermospannungen, die definiert abzubauen sind. Um das definierte Abbauen dieser Thermospannungen zu ermöglichen, ist die die Düsenfläche bildende Mantelfläche 23 der Spitze 21 mit Schlitzen 33 versehen. Die Schlitze 33 erstrecken sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Mantelfläche 23 hindurch bis zu den Kühlluftkanälen 25, so dass beim Betrieb des Brenners Kühlluft durch die Schlitze 33 austreten kann, um diese gegen den Eintritt von heißen Verbrennungsgasen zu sperren.

[0023] Im vorliegenden Ausführungsbeispiel reichen die Schlitze 33 zudem bis zu den Speiseöffnungen 29. Sie können jedoch auch lediglich in der Mantelfläche 23 des Kegelstumpfes angeordnet sein, so dass kein Schlitzabschnitt durch den zylinderförmigen Abschnitt 20 verläuft.

[0024] Die Schlitze 33 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils in der Mitte zwischen zwei Brennstoffdüsen 7 angeordnet. In Abhängigkeit von den strömungstechnischen Gegebenheiten im Bereich der Spitze (beispielsweise unter Berücksichtigung des von den Drallerzeugern 15 erzeugten Dralls) können die Schlitze 33 jedoch auch im Vergleich zudem in den Fig. dargestellten Ausführungsbeispiel im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn versetzt sein. Außerdem ist es möglich, mehrere Schlitze vorzusehen, wenn diese sich nur durch die Mantelfläche 23 des Kegelstumpfes 21, nicht aber durch den zylinderförmigen Abschnitt 20 erstrecken. Die durch die Schlitze 33 möglich werdende Verformung der Kegelstumpfmantelfläche 23 im Bereich der Kühlluftkanäle 25 ermöglicht dann das Abbauen der während des Spülprozesses auftretenden Thermospannungen.

[0025] Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind um die Brennstoffdüsen 7 herum außerdem optionale Durchgangsbohrungen 30 vorhanden, die bis zu den Kühlluftkanälen 25 reichen und die den Durchtritt von Kühlfluid ermöglichen. Hierdurch lässt sich eine besonders effektive Kühlung des Materials der Lanzenspitze im Bereich der zu spulenden Düsenöffnungen 7 erreichen, wodurch der Thermoschock beim Spülen und somit auch die abzubauenden Thermospannungen verringert werden.

[0026] Das Vorsehen der Schlitze 33 in der Brennstofflanze des erfindungsgemäßen Brenners ermöglicht in vorteilhafter Weise den Abbau von Thermospannungen während des Spülens der Brennstofflanze mit Spülwasser, ohne dass die Schlitze die Aerodynamik im Bereich der Spitze der Brennstofflanze negativ beeinflussen. Durch den verbesserten Abbau der Thermospannungen wird die Lebensdauer der Brennstofflanze verlängert. Das Einbringen der Schlitze in bestehende Brennstofflanzen ohne Schlitze ist zudem ohne großen Aufwand realisierbar, so dass bereits existierende Brennstofflanzen mit geringem Aufwand umgerüstet werden können.

Ansprüche

1. Brennstofflanze (5) für einen Brenner, insbesondre für einen Gasturbinenbrenner, mit einer Spitze (21), welche eine Düsenfläche (23) mit wenigstens zwei Brennstoffdüsen (7) aufweist, wobei die Düsenfläche zwischen den Brennstoffdüsen mit Schlitzen (33) versehen ist.

2. Brennstofflanze (5) nach Anspruch 1, in der die Düsenfläche eine Ringfläche (23) ist und die Schlitze (33) senkrecht zur Umfangsrichtung der Ringfläche (23) durch diese verlaufen.

3. Brennstofflanze nach Anspruch 2, in der die Ringfläche eine konische Ringfläche (23) ist.

4. Brennstofflanze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in der in der Spitze (21) Kühlluftkanäle (25) vorhanden sind, die zwischen den Brennstoffdüsen (7) unterhalb der Düsenfläche (23) verlaufen, wobei die Schlitze (33) von der Düsenfläche (23) bis zu dem jeweiligen Kühlluftkanal (25) reichen.

5. Brennstofflanze nach Anspruch 3 und Anspruch 4, in der die Spitze (21) die Form eines Kegelstumpfes besitzt, die Mantelfläche (23) des Kegelstumpfes die Düsenfläche bildet und die Kühlluftkanäle (25) zumindest zur Deckfläche des Kegelstumpfes hin Öffnungen (27) aufweisen.

6. Brennstofflanze nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, in der um die Brennstoffdüsen (7) herum Durchgangsöffnungen (30) vorhanden sind, die mit den Luftzufuhrkanälen (25) in strömungstechnischer Verbindung stehen.

7. Brennstofflanze nach Anspruch 6, in der zwischen den Durchgangsöffnungen (30) benachbarter Brennstoffdüsen (7) jeweils ein Schlitz (33) angeordnet ist.

8. Brenner, insbesondere Gasturbinenbrenner, mit einer Brennstofflanze (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche.

9. Brenner nach Anspruch 8, in welchem die Brennstofflanze (5) zur Zufuhr eines flüssigen Brennstoffes Verwendung findet und welcher zusätzlich zur Brennstofflanze (5) Brennstoffdüsen (19) für gasförmige Brennstoffe aufweist.

Zeichnung