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J
DIM360 Ver 2.15 (14 Jul 2008) - 1100000/0
2423589
EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG
A1
20120229
EP
10174338.3
20100827
de
de
de
20120229
201209
20120229
201209
F23C 5/08 20060101AFI20110203BHEP
F23D 11/12 20060101ALI20110203BHEP
F23D 11/38 20060101ALI20110203BHEP
F23M 99/00 20100101ALI20110203BHEP
F23R 3/28 20060101ALI20110203BHEP
de
Brenneranordnung
en
Burner assembly
fr
Agencement de brûleur
2
Siemens Aktiengesellschaft
101044872
2010P15067EP
Wittelsbacherplatz 2
80333 München
DE
Hase, Matthias
Duisburger Str. 327
45478, Mülheim
DE
Meisl, Jürgen
Prinzenhöhe 47
45478, Mülheim an der Ruhr
DE
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BE
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Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung mit einem Träger, mindestens zwei Brennern (2, 2a, 2b) welche in Strömungsrichtung an dem Träger montiert sind, wobei jeder Brenner (2, 2a, 2b) ein zylinderförmiges Gehäuse (12) mit einer darin zentral angeordneten, einen Brennstoffkanal (3) aufweisende Lanze umfasst, welche über Drallschaufeln (4) am Gehäuse (12) abgestützt ist und wobei an der zu einer Brennkammer hinführenden Seite ein Aufsatz (10) angeordnet ist, wobei mindestens eine Brennstoffdüse (1) in dem Aufsatz (10) vorzugsweise stromab der Drallschaufeln (4) angeordnet und mit dem Brennstoffkanal (3) verbunden ist, wobei die mindestens zwei Brennstoffdüsen (1) der mindestens zwei Brenner (2, 2a, 2b) unterschiedliche Funktionscharakteristik und/oder Sprühform aufweisen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brenneranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Im Betrieb der Gasturbine wird der Brennkammer verdichtete Luft aus dem Verdichter zugeführt. Die verdichtete Luft wird mit einem Brennstoff, beispielsweise Öl oder Gas, vermischt und das Gemisch in der Brennkammer verbrannt. Die heißen Verbrennungsabgase werden schließlich als Arbeitsmedium über einen Brennkammerausgang der Turbine zugeführt, wo sie unter Entspannung und Abkühlung Impuls auf die Laufschaufeln übertragen und so Arbeit leisten.
Eine Brenneranordnung weist einen Träger mit mindestens zwei Brennern auf, welche in Strömungsrichtung an dem Träger montiert sind. Jeder Brenner umfasst ein zylinderförmiges Gehäuse mit einer darin zentral angeordneten, einen Brennstoffkanal aufweisende Lanze, welche über Drallschaufeln am Gehäuse abgestützt ist. Dabei ist an der zu einer Brennkammer hinführenden Seite ein Aufsatz angeordnet, wobei mindestens eine Brennstoffdüse in dem Aufsatz vorzugsweise stromab der Drallschaufeln angeordnet und mit dem Brennstoffkanal verbunden ist. Bei Gasturbinen, insbesondere solchen, die mit zwei verschiedenen Brennstoffen betrieben werden, erfolgt beispielsweise eine Eindüsung des Brennstoffes Öl im Bereich von Drallerzeugern, in denen das Öl mit Luft vermischt wird. Zur besseren Vermischung von Öl und Luft wird das Öl innerhalb der zur Eindüsung verwendeten Düsen in eine Drallbewegung versetzt. Diese Öldüse wird auch als Druck-Drall-Düse bezeichnet.
Gerade bei Gasturbinen mit zwei verschiedenen Brennstoffen können die Öldüsen nicht so angeordnet werden, dass die Vermischung des Brennstoffs mit der Luft zu einem optimalen Ergebnis hinsichtlich der Druckpulsationen führt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Angabe einer Brenneranordnung, welche das obige Problem löst.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Brenneranordnung nach Anspruch 1. Die weiteren Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß weisen bei solch einer Brenneranordnung die mindestens zwei Brennstoffdüsen der mindestens zwei Brenner eine unterschiedliche Funktionscharakteristik und/oder Sprühform auf. Dadurch ergibt sich, in Bezug auf den jeweiligen Brenner, ein unterschiedliches Eindringverhalten des durch die Brennstoffdüsen eingedüsten Brennstoffs in z.B. die Verdichterluft. Dies hat zur Folge, dass die Flammenzone der jeweiligen Brenner einen unterschiedlichen Stabilisierungspunkt aufweist und somit auch unterschiedlich stabilisiert wird. Bezogen auf das gesamte Verbrennungssystem ergibt sich damit eine Verschmierung der Verbrennungszonen. Dabei versteht man unter einer solchen Verschmierung Effekte, wie z.B. Verbreiterung der Flammenzone, Vermeiden von symmetrischen Strukturen und Erzeugung von Zonen mit unterschiedlicher Temperatur. Dies führt zu einem verbesserten thermoakustischen Verhalten.
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Die Merkmale der Ausführungsbeispiele können hierbei einzeln oder in Kombination miteinander vorteilhaft sein.
Fig. 1
zeigt schematisch einen Schnitt durch einen einzelnen Brenner einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung.
Fig. 2
zeigt eine Brennstoffverteilung einer ersten erfindungsgemäßen Brenneranordnung mit acht Brennern.
Fig. 3
zeigt eine Brennstoffverteilung einer zweiten erfindungsgemäßen Brenneranordnung mit acht Brennern.
Fig. 4
zeigt eine Brennstoffverteilung einer dritten erfindungsgemäßen Brenneranordnung mit acht Brennern.
Fig. 1 zeigt einen einzelnen Brenner 2 solch einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung. In dem Gehäuse 12 des erfindungsgemäßen Brenners 2 sind um eine Lanze herum Drallschaufeln 4 angeordnet. Die Drallschaufeln 4 sind entlang des Umfanges der Lanze in dem Gehäuse 12 angeordnet. Durch die Drallschaufeln 4 wird ein Verdichterluftstrom 7 in den zu einer Brennkammer (nicht gezeigt) führenden Teil des Brenners 2 geleitet. Die Luft wird durch die Drallschaufeln 4 in eine Drallbewegung versetzt. Die Lanze umfasst zudem einen Brennstoffkanal 3. Der Brenner 2 umfasst weiterhin einen an der zu der Brennkammer hinführenden Seite einen Aufsatz 10. Der Aufsatz 10 kann z.B. mit der Lanze verschweißt, verschraubt oder direkt mitangegossen sein. Die zumeist mehreren Brennstoffdüsen 1 sind in dem Aufsatz 10 vorzugsweise stromab der Drallschaufeln 4 angeordnet und sind dabei strömungstechnisch mit dem Brennstoffkanal 3, hier als Ölkanal dargestellt, verbunden. Bevorzugt sind acht solcher Brenner 2 kreisrund an einem Träger angeordnet (nicht gezeigt). Dabei werden die Brenner 2 um einen (nicht gezeigten) Pilotbrenner mit Pilotkonus angeordnet. Zudem können die Drallschaufeln 4 auch zusätzliche Brennstoffdüsen, welche hier jedoch nicht dargestellt sind, aufweisen.
Die zumindest zwei Brenner 2 weisen erfindungsgemäße Brennstoffdüsen 1 mit jeweils unterschiedlicher Funktionscharakteristik und/oder Sprühform auf. Dies bedeutet, dass die Brennstoffdüsen 1 des einen Brenners 2 sich hinsichtlich ihrer Funktionscharakteristik und/oder ihrer Sprühform von den Brennstoffdüsen 1 des anderen Brenners 2 unterscheiden. Alternativ können auch drei oder mehrere Brenner 2 erfindungsgemäße Brennstoffdüsen 1 mit einer jeweils unterschiedlichen Funktionscharakteristik und/oder Sprühform aufweisen. Die Anzahl der Brenner 2 sowie die Anzahl der Brennstoffdüsen 1 mit jeweils unterschiedlicher Funktionscharakteristik und/oder Sprühform ist daher nicht festgelegt.
Die Funktionscharakteristik einer Brennstoffdüse 1 ist dabei zumindest durch die Düsengröße, den Strahlwinkel, die Flüssigkeitsverteilung und die Zerstäubungscharakteristik gekennzeichnet. Dabei legt die Düsengröße im Wesentlichen den Brennstoffmassenstrom bei gegebener Druckdifferenz fest. Die Zerstäubungscharakteristik umfasst dabei zumindest die Tröpfchengrößenverteilung. So können beispielsweise einfache Druckzerstäuber, Dralldüsen, oder luftgeschützte Zerstäuber verwendet werden. Auch bei der Sprühform kann unterschieden werden, so können die Brennstoffdüsen 1 beispielsweise einen Vollstrahl, Hohlkegelstrahl, einen Vollkegelstrahl oder einen Flachstrahl ausbilden. Auch andere Sprühformen sind möglich. Die Brennstoffdüsen 1 der jeweiligen Brenner 2 weisen durch die unterschiedliche Funktionscharakteristik und/oder Sprühform ein unterschiedliches Verteilungs- und Eindringverhalten des Brennstoffs in den Verdichterluftstrom 7 auf. So kann zum Beispiel eine deutlich weitere Eindringtiefe des Brennstoffs in die Luftströmung 7 eine engere Verteilung des Brennstoffs um den Umfang des Aufsatzes 10 zur Folge haben. Das unterschiedliche Verteilungs- und Eindringverhalten führt zu einer unterschiedlichen Stabilisierung der Flammenzone der jeweiligen Brenner 2. Dadurch ergibt sich eine Verschmierung der Verbrennungszonen im gesamten Verbrennungssystem. Die jeweils für eine Rückkopplung bei einer bestimmten Frequenz zur Verfügung stehende Energiemenge wird somit verringert und sinkt unter eine kritische Grenze. Dies führt zu einem verbesserten thermoakustischen Verhalten.
Fig. 2 zeigt eine Brennstoffverteilung einer ersten erfindungsgemäßen Brenneranordnung mit acht Brennern 2a, 2b von vorne. Die Erfindung ist jedoch nicht eingeschränkt auf acht Brenner 2a, 2b auch eine andere Anzahl von Brennern ist möglich. So weisen hier die Brenner 2a Brennstoffdüsen 1 (Fig.1) mit einer Funktionscharakteristik und Sprühform auf, welche eine mittlere radiale Eindringtiefe und eine breite Brennstoffverteilung um den Aufsatz 10 herum bewirken. Der Brenner 2a weist daher einen breiten Brennstoffverteilungsring 19a um den Aufsatz 10 herum auf. Der Brennstoffverteilungsring 19a weist von dem Aufsatz 10 einen großen radialen Abstand auf.
Die Brenner 2b hingegen weisen Brennstoffdüsen 1 (Fig. 1) mit einer Funktionscharakteristik und Sprühform auf, welche eine sehr geringe radiale Eindringtiefe und eine enge Brennstoffverteilung um den Aufsatz 10 herum bewirken. Der Brenner 2b weist daher einen schmalen Brennstoffverteilungsring 19b um den Aufsatz 10 herum auf. Der Brennstoffverteilungsring 19b weist zudem von dem Aufsatz 10 einen geringen radialen Abstand auf. Fig. 2 zeigt dabei eine symmetrische Anordnung von Brennern 2a, 2b. Dabei sind die jeweils vier Brenner 2a mit gleicher Funktionscharakteristik und Sprühform gegenüberliegend angeordnet. Ebenso gilt dies für die Brenner 2b. Es können jedoch auch andere Anordnungen möglich sein.
Fig. 3 zeigt eine Brennstoffverteilung einer zweiten erfindungsgemäßen Brenneranordnung mit acht Brennern 2a, 2b von vorne. Dabei sind die Brenner 2a, 2b alternierend angeordnet.
Fig. 2 und Fig. 3 sind Brenneranordnungen gezeigt, die jeweils zwei Brenner 2a, 2b mit einer unterschiedlichen Funktionscharakteristik und/oder Sprühform bei den Brennstoffdüsen 1 (Fig. 1) aufweisen. Es können jedoch noch mehrere Brenner 2 mit unterschiedlicher Funktionscharakteristik und/oder Sprühform bei den Brennstoffdüsen 1 (Fig. 1) in einer solchen Brenneranordnung vorhanden sein.
Fig. 4 zeigt eine Brennstoffverteilung einer dritten erfindungsgemäßen Brenneranordnung mit acht Brennern 2a, 2b von vorne. Dabei weisen sechs Brenner 2a Brennstoffdüsen 1 (Fig. 1) mit gleicher Funktionscharakteristik und Sprühform auf, die zwei anderen Brenner 2b hingegen weisen Brennstoffdüsen 1 (Fig. 1) mit einer dazu unterschiedlichen Funktionscharakteristik und/oder Sprühform auf. Dabei ist die Funktionscharakteristik und Sprühform der Brennstoffdüsen 1 der Brenner 2b jedoch untereinander gleich. Dies entspricht einer unsymmetrischen Anordnung von Brennern 2a, 2b. Unter thermoakustischer Sicht ist eine solche unsymmetrische Anordnung insbesondere vorteilhaft, um Umfangsmoden im gesamten Brennersystem zu unterbinden.
1. Brenneranordnung mit
- einem Träger ,
- mindestens zwei Brennern (2, 2a, 2b) welche in Strömungsrichtung an dem Träger montiert sind,
wobei jeder Brenner (2, 2a, 2b) ein zylinderförmiges Gehäuse (12) mit einer darin zentral angeordneten, einen Brennstoffkanal (3) aufweisende Lanze umfasst, welche über Drallschaufeln (4) am Gehäuse (12) abgestützt ist und wobei an der zu einer Brennkammer hinführenden Seite ein Aufsatz (10) angeordnet ist, wobei mindestens eine Brennstoffdüse (1) in dem Aufsatz (10) vorzugsweise stromab der Drallschaufeln (4) angeordnet und mit dem Brennstoffkanal (3) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mindestens zwei Brennstoffdüsen (1) der mindestens zwei Brenner (2, 2a, 2b) eine unterschiedliche Funktionscharakteristik und/oder Sprühform aufweisen.
2. Brenneranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionscharakteristik zumindest durch die Düsengröße, den Strahlwinkel, die Flüssigkeitsverteilung, und die Zerstäubungscharakteristik gekennzeichnet ist.
3. Brenneranordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungscharakteristik zumindest durch die Tröpfchengrößenverteilung gekennzeichnet sind.
4. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (1) Öldüsen sind.
5. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von Brennern (2a, 2b) vorgesehen ist, welche ringförmig auf dem Träger angebracht sind.
6. Brenneranordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass acht, zehn oder zwölft Brenner (2a, 2b) vorgesehen sind.
7. Brenneranordnung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier Brenner (2a, 2b) vorgesehen sind, wobei alle sich gegenüberliegende Brenner (2a, 2b) Brennstoffdüsen (1) mit gleicher Funktionscharakteristik und Sprühform aufweisen.
8. Brenneranordnung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier Brenner (2a, 2b) vorgesehen sind, wobei zumindest zwei sich gegenüberliegende Brenner (2a, 2b) Brennstoffdüsen (1) aufweisen, welche unterschiedliche Funktionscharakteristik und/oder Sprühform aufweisen.
9. Brenneranordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass eine ungerade Anzahl von Brennern (2a, 2b) vorgesehen sind.