DE102010009051A1 - Fuel supply device for use in gas turbine combustion chamber system for technical combustion chamber system for flame less combustion, has main nozzle with fuel supply and another nozzle for supplying fuel - Google Patents

Fuel supply device for use in gas turbine combustion chamber system for technical combustion chamber system for flame less combustion, has main nozzle with fuel supply and another nozzle for supplying fuel Download PDF

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Abstract

The fuel supply device (1) has a main nozzle with a fuel supply and another nozzle for supplying the fuel. A fuel quantity is controlled relative to another fuel quantity by a regulating medium (7a,7b). The former fuel quantity feeds the main nozzle and the latter fuel quantity feeds the other nozzle. An independent claim is also included for a gas turbine combustion chamber system for flame less combustion of fuel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzuführungseinrichtung für ein technisches Brennkammersystem für die flammenlose Verbrennung mit mindestens einer Brennstoffdüse, die zur gestuften, insbesondere zweistufigen Brennstoffzufuhr eine zentrale Hauptdüse, mehrere um die zentrale Hauptdüse verteilt angeordnete Nebendüsen aufweist, und mit einer Brennstoffversorgung, über welche die zentrale Hauptdüse und die Nebendüsen der Brennstoffdüse mit Brennstoff gespeist werden. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Gasturbinenbrennkammersystem mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzuführungseinrichtung.The present invention relates to a fuel supply device for a technical combustion chamber system for flameless combustion with at least one fuel nozzle having a central main nozzle, a plurality of distributed around the central main nozzle arranged sub-nozzles for stepped, in particular two-stage fuel supply, and with a fuel supply, via which the central main nozzle and the secondary nozzles of the fuel nozzle are fed with fuel. Furthermore, the present invention relates to a gas turbine combustion chamber system with a fuel supply device according to the invention.

Derartige Brennstoffzuführungseinrichtungen sind allgemein bekannt und werden bei der sogenannten flammenlosen Verbrennung von Brennstoff oder auch flammenlosen Oxidation eingesetzt.Such fuel supply devices are well known and are used in the so-called flameless combustion of fuel or flameless oxidation.

Das Dokument EP 0463 218 B1 zeigt beispielsweise eine Vorrichtung zur flammenlosen Oxidation eines gasförmigen Brennstoffes mit einer abgeschlossenen Brennkammer. An einer Stirnwand der zylindrisch ausgebildeten Brennkammer ist ein Brennerkopf vorgesehen, in dem sechs kreisförmig angeordnete Verbrennungsluftdüsen ausgebildet sind. Die Brennstoffzufuhr erfolgt bei dieser Vorrichtung über eine separate Brennstoffleitung, die im Zentrum des durch die Verbrennungsluftdüsen gebildeten Kreises durch den Brennerkopf in den Verbrennungsraum eintritt. Eine an der Brennstoffleitung ausgebildete Brennstoffdüse ist einstufig ausgeführt. Dadurch lässt sich ein Äquivalenzverhältnis (Brennstoff-Verbrennungsluft) nur begrenzt und die Brennstoffverteilung gar nicht beeinflussen. Eine gestufte Brennstoffzufuhr lässt sich mit dem gezeigten System nicht realisieren. Zur Zündung aber auch, um einen stabilen Betrieb auch im unteren Teillastbereich sowie bei instationären Manövern (Lastwechsel etc.) gewährleisten zu können, ist es jedoch notwendig, den Brennstoff gestuft in die Brennkammer einbringen zu können.The document EP 0463 218 B1 shows, for example, a device for flameless oxidation of a gaseous fuel with a closed combustion chamber. On an end wall of the cylindrically formed combustion chamber, a burner head is provided, are formed in the six circularly arranged combustion air nozzles. The fuel supply takes place in this device via a separate fuel line, which enters the center of the circle formed by the combustion air nozzles through the burner head into the combustion chamber. A fuel nozzle formed on the fuel line is designed in one stage. As a result, an equivalence ratio (fuel combustion air) can only be limited and the fuel distribution can not be influenced at all. A staged fuel supply can not be realized with the system shown. For ignition but also to ensure a stable operation in the lower part load range as well as transient maneuvers (load changes, etc.), it is necessary to be able to introduce the fuel staged into the combustion chamber.

Im Dokument DE 600 22 457 T2 wird ein Gasturbinenbrennkammersystem zur gestuften Brennstoffzufuhr vorgeschlagen. Das System weist an seinem Brennerkopf sechs radial äußere Brennstoffdüsen zur Zuführung von gasförmigem Brennstoff auf. Zwischen den äußeren Brennstoffdüsen ist eine zentrale Brennstoffdüse angeordnet. Auch hier sind die Brennstoffdüsen jeweils einstufig ausgebildet. Zur gestuften Brennstoffzufuhr ist vorgesehen, abhängig von dem auf das System einwirkenden Lastbereich die äußeren Brennstoffdüsen und die zentrale Brennstoffdüse auch unabhängig voneinander mit einem an die Last angepassten Brennstoff – hier wahlweise vorgemischtem bzw. teilvorgemischtem gasförmigen Brennstoff oder Diffusionsgasbrennstoff – zu beliefern. Die Brennstoffstufung erfolgt also über die Wahl der mit Brennstoff zu beliefernden Brennstoffdüsen sowie die Zusammensetzung des zugeführten Brennstoffes.In the document DE 600 22 457 T2 For example, a gas turbine combustor system for staged fueling is proposed. The system has at its burner head six radially outer fuel nozzles for supplying gaseous fuel. Between the outer fuel nozzles, a central fuel nozzle is arranged. Again, the fuel nozzles are each formed in one stage. For stepped fuel supply is provided, depending on the load acting on the system load area, the outer fuel nozzle and the central fuel nozzle independently with a load adapted to the fuel - here either premixed or teilvorgemischtem gaseous fuel or diffusion gas fuel. The fuel staging thus takes place via the choice of the fuel nozzles to be supplied with fuel and the composition of the supplied fuel.

Zur Stabilisierung des Betriebes, bei der Änderungen des Äquivalenzverhältnisses Brennstoff/Verbrennungsluft eine wesentliche Rolle spielen, werden in diesem System zur Steuerung der Verbrennungsdynamik zusätzliche Zünd- bzw. Pilotbrenner eingesetzt, die unabhängig von den Brennstoffdüsen angesteuert werden können.To stabilize the operation, in which changes in the equivalence ratio fuel / combustion air play an essential role, additional ignition or pilot burners are used in this system for controlling the combustion dynamics, which can be controlled independently of the fuel nozzles.

Neben dem mit der einstufigen Ausbildung der jeweiligen Brennstoffdüsen einhergehenden Nachteil, dass sich das Brennstoff-Luft-Verhältnis nur begrenzt und die Brennstoffverteilung gar nicht beeinflussen lässt, neigen die zum Einsatz kommenden Zünd- bzw. Pilotbrenner zur Interaktion mit dem Strömungsfeld in der Brennkammer, was zu einer inhomogenen Temperaturverteilung im Brennraum sowie zu höheren Schadstoffemissionen führen kann. Ferner ist das oben beschriebene System aufgrund seines komplexen Aufbaus und der Teilevielfalt sehr kostspielig.In addition to the associated with the single-stage design of the respective fuel nozzle disadvantage that the fuel-air ratio is limited and the fuel distribution can not be influenced, the coming to use ignition or pilot burner tend to interact with the flow field in the combustion chamber, which can lead to an inhomogeneous temperature distribution in the combustion chamber and to higher pollutant emissions. Furthermore, the system described above is very expensive due to its complex structure and variety of parts.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzuführungseinrichtung bzw. ein Gasturbinenbrennkammersystem bereitzustellen, welches bei einem einfachen Aufbau eine möglichst homogene Verbrennung innerhalb der Brennkammer bei möglichst homogener Temperaturverteilung mit geringer Schadstoffemission und hoher Stabilität gegenüber Brennkammerschwingungen ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to provide a fuel supply device or a gas turbine combustion chamber system which allows a homogeneous combustion within the combustion chamber with a homogeneous homogeneous temperature distribution with low pollutant emission and high stability to combustion chamber vibrations in a simple structure.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Brennstoffzuführung der Hauptdüse und den Nebendüsen den gleichen Brennstoff zuführt, wobei eine der Hauptdüse zugeführte Brennstoffmenge relativ zu einer den Nebendüsen zugeführten Brennstoffmenge durch mindestens ein Regulierungsmittel steuerbar ist.This object is achieved in that the fuel supply of the main nozzle and the sub-nozzles supplies the same fuel, wherein one of the main nozzle supplied amount of fuel is controllable relative to a sub-nozzle supplied amount of fuel by at least one regulating means.

Mit anderen Worten verfügt die erfindungsgemäße Brennstoffdüse sowohl über eine zentrale Hauptdüse als auch über mehrere Nebendüsen. Durch die Möglichkeit einer separaten Ansteuerung von Haupt- und Nebendüsen ist eine gestufte Brennstoffzufuhr innerhalb der Brennstoffdüse durchführbar.In other words, the fuel nozzle according to the invention has both a central main nozzle and several secondary nozzles. Due to the possibility of separate control of main and secondary nozzles, a stepped fuel supply within the fuel nozzle is feasible.

Durch die getrennte Ansteuerung der Haupt- und Nebendüsen der Brennstoffdüse ist es ferner möglich, die Temperaturverteilung in der dem Brenner nachgeschalteten Brennkammer dergestalt zu beeinflussen, dass durch gezielt erzeugte Inhomogenitäten Brennkammerschwingungen aktiv unterdrückt werden können.By the separate control of the main and auxiliary nozzles of the fuel nozzle, it is also possible to influence the temperature distribution in the combustion chamber downstream of the burner in such a way that combustion chamber vibrations can be actively suppressed by specifically generated inhomogeneities.

Durch eine Brennstoffstufung innerhalb der Brennstoffdüse lässt sich das Äquivalenzverhältnis in einer Mischstrecke der Luftdüse über einen weiten Bereich variieren, so dass auf den Einsatz eines Zünd- bzw. Pilotbrenners verzichtet werden kann. Die im Stand der Technik zur gestuften Einbringung von Brennstoff notwendigen zusätzlichen Pilotbrennstoffdüsen können so entfallen, was den Aufbau der Brennstoffzuführungseinrichtung und damit des Gasturbinenbrennkammersystems vereinfacht. Auch entfällt der mit Zünd- bzw. Pilotbrenner einhergehende Nachteil einer Interaktion mit dem Strömungsfeld in der Brennkammer, welche eine inhomogene Temperaturverteilung in der Brennkammer sowie höhere Schadstoffemissionen zur Folge hätte. By fuel staging within the fuel nozzle, the equivalence ratio in a mixing section of the air nozzle can be varied over a wide range, so that it is possible to dispense with the use of an ignition or pilot burner. The additional pilot fuel nozzles necessary in the prior art for the stepped introduction of fuel can thus be dispensed with, which simplifies the structure of the fuel supply device and thus of the gas turbine combustion chamber system. Also eliminates the associated with ignition or pilot burner disadvantage of interaction with the flow field in the combustion chamber, which would have an inhomogeneous temperature distribution in the combustion chamber and higher pollutant emissions result.

In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffversorgung über Verbindungsleitungen mit der Hauptdüse einerseits und mit den Nebendüsen andererseits direkt verbunden, wobei an mindestens einer der Verbindungsleitungen mindestens ein Regulierungsmittel zur Steuerung der Durchflussmenge des Brennstoffes durch die Hauptdüse und/oder durch die Nebendüsen vorgesehen ist.In one embodiment of the present invention, the fuel supply via connecting lines with the main nozzle on the one hand and with the sub-nozzles on the other hand directly connected, wherein at least one of the connecting lines at least one regulating means for controlling the flow rate of the fuel through the main nozzle and / or provided by the sub-nozzles.

Alternativ können die Verbindungsleitungen über eine zentrale Brennstoffleitung mit der Brennstoffversorgung verbunden sein. Durch diesen Aufbau kann auf einfache Weise eine Brennstoffdüse mit zweistufiger, symmetrischer Brennstoffeinbringung bereitgestellt werden.Alternatively, the connection lines can be connected to the fuel supply via a central fuel line. With this structure, a fuel nozzle with two-stage, symmetrical fuel introduction can be easily provided.

Zur Schaffung eines möglichst homogenen Brennstoffprofils hinter der Brennstoffdüse, insbesondere in einer Mischungsstrecke innerhalb der Luftdüse können die Hauptdüse und die Nebendüsen in der Brennstoffdüse angeordnet sein und eine bauliche Einheit darstellen, wobei die Nebendüsen in Umfangsrichtung der Brennstoffdüse gleichmäßig, insbesondere auf einem Kreis liegend um die zentrale Hauptdüse verteilt sein können.To create a homogeneous as possible fuel profile behind the fuel nozzle, in particular in a mixing section within the air nozzle, the main nozzle and the sub-nozzles may be arranged in the fuel nozzle and constitute a structural unit, the sub-nozzles in the circumferential direction of the fuel nozzle evenly, in particular on a circle lying around the central main nozzle can be distributed.

Eine Möglichkeit zur Anordnung der Nebendüsen relativ zu der Hauptdüse kann so gewählt sein, dass die Nebendüsen paarweise an diametral gegenüberliegenden Seiten der Hauptdüse angeordnet sind.One way to arrange the auxiliary nozzles relative to the main nozzle may be chosen so that the secondary nozzles are arranged in pairs on diametrically opposite sides of the main nozzle.

In einer Ausführungsform ist die Brennstoffdüse an ihrer austrittsseitigen Stirnfläche derart abgeschrägt ausgebildet, dass die Austrittsöffnungen der Nebendüsen in Strömungsrichtung gegenüber der Austrittsöffnung der Hauptdüse axial versetzt sind. Dies ermöglicht eine noch genauere Ansteuerung und Einstellung der gestuften Brennstoffeinbringung in die Brennkammer und erhöht somit die Variabilität der Steuerung der Verbrennung.In one embodiment, the fuel nozzle is formed on its exit-side end face beveled such that the outlet openings of the auxiliary nozzles are axially offset in the flow direction relative to the outlet opening of the main nozzle. This allows even more precise control and adjustment of the stepped fuel introduction into the combustion chamber and thus increases the variability of the control of the combustion.

Die Abschrägung der Stirnfläche kann so gewählt sein, dass die Austrittsöffnung der Hauptdüse in Strömungsrichtung gegenüber den Austrittsöffnungen der Nebendüsen vorsteht.The bevel of the end face can be selected so that the outlet opening of the main nozzle protrudes in the flow direction with respect to the outlet openings of the auxiliary nozzles.

Ein erfindungsgemäßes Gasturbinenbrennkammersystem zur flammenlosen Verbrennung von Brennstoff weist eine Brennkammer auf sowie einen Brennerkopf, in dem mehrere Luftdüsen ausgebildet sind, um der Brennkammer Verbrennungsluft zuzuführen, wobei zur Mischung von Brennstoff mit einer über die Luftdüsen zugeführten Verbrennungsluft mindestens eine erfindungsgemäße Brennstoffzuführungseinrichtung an dem Brennerkopf vorgesehen ist.An inventive gas turbine combustion chamber system for flameless combustion of fuel has a combustion chamber and a burner head in which a plurality of air nozzles are formed to supply the combustion chamber combustion air, wherein at least one fuel supply device according to the invention is provided on the burner head for mixing fuel with a supplied via the air nozzles combustion air ,

Zur möglichst homogenen Verteilung des einzuspeisenden Brennstoffes kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Brennstoffzuführungseinrichtung eine Brennstoffdüse aufweist, die so angeordnet ist, dass sie zumindest teilweise in eine der in dem Brennerkopf ausgebildeten Luftdüsen hineinragt.For the most homogeneous possible distribution of the fuel to be fed in an embodiment of the present invention may be provided that the fuel supply means comprises a fuel nozzle, which is arranged so that it at least partially protrudes into one of the formed in the burner head air nozzles.

Zweckmäßiger Weise entspricht hierbei die Anzahl der Brennstoffdüsen in dem Brennerkopf der Anzahl an Luftdüsen, wobei jeweils eine Brennstoffdüse in eine Luftdüse eingreift und insbesondere zentral darin gehalten ist. Dadurch wird erreicht, dass die dem Brennerkopf nachgestaltete Brennkammer über die Luftdüsen möglichst homogen mit dem Brennstoff-Luftgemisch versorgt werden kann, was eine gleichmäßige Verbrennung des Gemisches in der Brennkammer unterstützt. Auf diese Weise ist es möglich, den Brennstoff direkt in eine Beschleunigungsstrecke eines Verbrennungsluftstrahls der Luftdüsen einzubringen und eine Mischung von Luft und Brennstoff bereits in einer sich daran anschließenden Mischstrecke einzuleiten. Als Folge stellt sich am Austritt der Luftdüse ein Brennstoffprofil ein, welches insbesondere von der Steuerung der Brennstoffeinbringung in Haupt- und Nebendüsen der jeweiligen Brennstoffdüsen beeinflußbar ist. Die wesentlichen Merkmale des Brennstoffprofils sind dabei die Brennstoffverteilung über der Luftdüse sowie das Brennstoff-Luft-Verhältnis (Äquivalenzverhältnis).Appropriately, in this case corresponds to the number of fuel nozzles in the burner head of the number of air nozzles, wherein in each case a fuel nozzle engages in an air nozzle and in particular is held centrally therein. It is thereby achieved that the burner head nachgestaltete combustion chamber can be supplied as homogeneously as possible with the fuel-air mixture through the air nozzles, which supports a uniform combustion of the mixture in the combustion chamber. In this way it is possible to introduce the fuel directly into an acceleration section of a combustion air jet of the air nozzles and to initiate a mixture of air and fuel already in an adjoining mixing section. As a result, a fuel profile arises at the outlet of the air nozzle, which can be influenced, in particular, by the control of the fuel introduction in the main and auxiliary nozzles of the respective fuel nozzles. The essential characteristics of the fuel profile are the fuel distribution over the air nozzle and the fuel-air ratio (equivalence ratio).

Zur weiteren Verbesserung einer homogenen Vermischung von der Verbrennungsluft und dem Brennstoff in der Beschleunigungs- bzw. Mischstrecke der Luftdüse sind die Brennstoffdüse und die Luftdüse in dem Brennerkopf so relativ zueinander angeordnet, dass sie die gleiche Ein- und Ausströmrichtung aufweisen.To further improve a homogeneous mixing of the combustion air and the fuel in the acceleration or mixing section of the air nozzle, the fuel nozzle and the air nozzle are arranged in the burner head relative to each other so that they have the same inlet and outflow direction.

Eine weitere Möglichkeit der Förderung einer homogenen Verbrennung und einer Verringerung der Schadstoffemissionen wird erreicht, indem der Brennerkopf konzentrisch zu der dem Brennerkopf nachgeschalteten Brennkammer angeordnet ist.A further possibility of promoting homogeneous combustion and reducing pollutant emissions is achieved by arranging the burner head concentrically with the combustion chamber connected downstream of the burner head.

Der Brennerkopf kann einen zylindrischen Querschnitt aufweisen, um zu ermöglichen, die Luftdüsen im Wesentlichen auf einen Kreis anzuordnen und dabei symmetrisch zu einem Mittelpunkt dieses Kreises bzw. des durch die Querschnittsfläche des Brennerkopfes gebildeten Kreises zu plazieren. The burner head may have a cylindrical cross-section to allow the air nozzles to be substantially arranged on a circle while being symmetrical about a center of this circle or the circle formed by the cross-sectional area of the burner head.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die im Folgenden näher erläuterten Zeichnungen verwiesen.With regard to further advantageous embodiments of the invention, reference is made to the dependent claims and the drawings explained in more detail below.

In der Zeichnung zeigtIn the drawing shows

1 eine schematische Darstellung eines Schaltbildes einer erfindungsgemäßen Brennstoffzuführungseinrichtung; 1 a schematic representation of a circuit diagram of a fuel supply device according to the invention;

2 in schematischer Darstellung eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Brennstoffdüse zum Einsatz in der Brennstoffzuführungseinrichtung gemäß 1; 2 in a schematic representation of a plan view of a fuel nozzle according to the invention for use in the fuel supply device according to 1 ;

3 eine schematische Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffdüse gemäß der 2 entlang der Schnittlinie A-A; 3 a schematic sectional view of the fuel nozzle according to the invention according to the 2 along the section line AA;

4 eine schematische Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffdüse gemäß der 3 entlang der Schnittlinie B-B; 4 a schematic sectional view of the fuel nozzle according to the invention according to the 3 along the section line BB;

5 in schematischer Darstellung eine Draufsicht eines Brennerkopfes eines erfindungsgemäßen Gasturbinenbrennkammersystems; und 5 a schematic representation of a plan view of a burner head of a gas turbine combustor system according to the invention; and

6 eine Schnittdarstellung durch den Brennerkopf gemäß 5 entlang der Schnittlinie C-C. 6 a sectional view through the burner head according to 5 along the section line CC.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltbildes einer erfindungsgemäßen Brennstoffzuführungseinrichtung 1 zur Brennstoffversorgung eines flammenlosen Gasturbinenbrennkammersystems.The 1 shows a schematic representation of a circuit diagram of a fuel supply device according to the invention 1 for supplying fuel to a flameless gas turbine combustor system.

Die Brennstoffzuführungseinrichtung 1 weist eine Brennstoffdüse 2 auf, welche über eine zentrale Brennstoffleitung 3 und Verbindungsleitungen 3a, 3b mit einer nicht dargestellten Brennstoffversorgung verbunden ist, aus welcher die Brennstoffdüse 2 mit Brennstoff versorgt wird.The fuel supply device 1 has a fuel nozzle 2 on which via a central fuel line 3 and connecting cables 3a . 3b is connected to a fuel supply, not shown, from which the fuel nozzle 2 is supplied with fuel.

Die Brennstoffdüse 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel – wie deutlich in den 2 bis 4 zu sehen – zweistufig ausgebildet, wobei die Hauptstufe durch eine in der Brennstoffdüse 2 ausgebildete zentrale Hauptdüse 4 gebildet ist und die zweite Stufe – auch Außenstufe genannt – durch zwei auf diametral gegenüberliegenden Seiten der Hauptdüse 4 angeordnete und sich parallel zu der Hauptdüse 4 erstreckenden Nebendüsen 5. Alternativ können vier, sechs oder auch acht Nebendüsen 5 in der Brennstoffdüse 2 vorgesehen sein.The fuel nozzle 2 is in this embodiment - as clearly in the 2 to 4 seen - formed in two stages, with the main stage through one in the fuel nozzle 2 trained central main nozzle 4 is formed and the second stage - also called outer stage - by two diametrically opposite sides of the main nozzle 4 arranged and parallel to the main nozzle 4 extending secondary nozzles 5 , Alternatively, four, six or even eight auxiliary nozzles 5 in the fuel nozzle 2 be provided.

Wie näher in 3 gezeigt, ist die Brennstoffdüse 2 in diesem Ausführungsbeispiel an ihrer dem Austrittsbereich des Brennstoffes zugewandten Stirnseite abgeschrägt ausgebildet, wodurch die Austrittsbereiche der Nebendüsen 5 zum Austrittsbereich der Hauptdüse 4 relativ zu der der Brennstoffdüse 2 nachgeschalteten Brennkammer nach hinten versetzt angeordnet sind. Durch diese versetzte Anordnung wird eine genauere Einstellung der Brennstoffstufung möglich.How closer in 3 shown is the fuel nozzle 2 formed in this embodiment at its the outlet region of the fuel facing end face bevelled, whereby the exit regions of the auxiliary nozzles 5 to the exit area of the main nozzle 4 relative to the fuel nozzle 2 downstream combustion chamber are arranged offset to the rear. By this staggered arrangement a more accurate adjustment of the fuel staging is possible.

Zur separaten Steuerung der den Haupt- und Nebendüsen 4, 5 zuzuführenden Brennstoffmenge teilt sich die zentrale Brennstoffleitung 3 an einer Verzweigung 6 in die Verbindungsleitungen 3a, 3b auf, wobei die eine Verbindungsleitung 3a, welche die zentrale Brennstoffleitung 3 mit der zentralen Hauptdüse 4 und die andere Verbindungsleitung 3b die zentrale Brennstoffleitung 3 mit den Nebendüsen 5 verbindet.For separate control of the main and secondary nozzles 4 . 5 amount of fuel to be supplied shares the central fuel line 3 at a junction 6 in the connecting lines 3a . 3b on, with the one connecting line 3a which the central fuel line 3 with the central main nozzle 4 and the other connection line 3b the central fuel line 3 with the side nozzles 5 combines.

In den Verbindungsleitungen 3a, 3b ist jeweils ein von außen über eine nicht dargestellte Steuerungseinrichtung ansteuerbares Ventil 7a, 7b eingesetzt, über welche eine der Hauptdüse 4 zugeführte Brennstoffmenge relativ zu einer den Nebendüsen 5 zugeführten Brennstoffmenge einstellbar ist.In the connecting lines 3a . 3b is in each case a controllable from the outside via a control device, not shown, valve 7a . 7b used, over which one of the main nozzle 4 amount of fuel supplied relative to one of the auxiliary nozzles 5 supplied amount of fuel is adjustable.

Zur Änderung der Brennstoffmenge oder eines Verhältnisses der Brennstoffmenge Hauptdüse 4 zu Nebendüsen 5 wird die Ventilstellung mindestens eines der Ventile 7a, 7b geändert. Soll die Brennstoffzufuhr zu der Außenstufe, also den Nebendüsen 5 in der Brennstoffdüse 2 verringert werden, so kann der Querschnitt der zu den Nebendüsen 5 führenden Verbindungsleitung 3b der Brennstoffleitung 3 und damit die Durchflussmenge durch diese Verbindungsleitung 3b durch Verstellen des Ventils 7b dazu verringert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Querschnitt der Verbindungsleitung 3a und damit die Durchflussmenge durch die Verbindungsleitung 3a durch entsprechende Änderung der Ventilstellung des Ventils 7a vergrößert werden. So kann auf einfache Weise die Brennstoffzufuhr zu Haupt- und Nebendüsen 4, 5 effektiv über die Steuereinrichtung an die Lastbedingungen des Gasturbinenbrennkammersystems angepasst und/oder ein Brennstoffzuführverhältnis Haupt- zu Nebendüsen eingestellt werden. Dies trägt zu einer möglichst homogenen Verbrennung des Brennstoffgemisches in der Brennkammer des Gasturbinenbrennkammersystems bei.To change the amount of fuel or a ratio of the amount of fuel main nozzle 4 to secondary nozzles 5 the valve position becomes at least one of the valves 7a . 7b changed. Should the fuel supply to the outdoor stage, so the sub-nozzles 5 in the fuel nozzle 2 can be reduced, so the cross-section of the to the sub-nozzles 5 leading connection line 3b the fuel line 3 and thus the flow through this connecting line 3b by adjusting the valve 7b to be reduced. Alternatively or additionally, the cross section of the connecting line 3a and thus the flow through the connecting pipe 3a by corresponding change in the valve position of the valve 7a be enlarged. So can easily the fuel supply to main and secondary nozzles 4 . 5 be adjusted effectively via the control device to the load conditions of the gas turbine combustion chamber system and / or set a fuel supply ratio main to auxiliary nozzles. This contributes to the most homogeneous possible combustion of the fuel mixture in the combustion chamber of the gas turbine combustion chamber system.

Die 5 zeigt eine Draufsicht eines Brennerkopfes 8, in welchen acht Luftdüsen 9 ausgebildet sind, um die dem Brennerkopf 8 nachgeschaltete, nicht dargestellte Brennkammer mit Verbrennungsluft zu versorgen. Die Brennstoffdüsen 2 sind jeweils zentral in eine Luftdüse 9 gehalten und greifen in die Luftdüsen 9 hinein.The 5 shows a plan view of a burner head 8th in which eight air jets 9 are formed to the burner head 8th downstream, Supply combustion chamber, not shown, with combustion air. The fuel nozzles 2 are each centrally in an air nozzle 9 held and grab in the air jets 9 into it.

Der Brennerkopf 8 ist konzentrisch zu der dem Brennerkopf 8 nachgeschalteten, nicht dargestellten Brennkammer angeordnet und weist einen zylindrischen Querschnitt auf. Auch die Luftdüsen 9 sind auf einem Kreis symmetrisch um eine zentrale Achse des Brennerkopfes 8 angeordnet.The burner head 8th is concentric with the burner head 8th arranged downstream, not shown combustion chamber and has a cylindrical cross section. Also the air nozzles 9 are on a circle symmetrical about a central axis of the burner head 8th arranged.

In den Luftdüsen 9 ist jeweils eine erfindungsgemäße Brennstoffdüse 2 eingesetzt, über welche Brennstoff in eine Beschleunigungsstrecke 10 der Luftdüsen 9 in den Luftstrahl einspritzbar ist. Die Brennstoffdüsen 2 sind dazu mit den Luftdüsen 9 fluchtend ausgerichtet, so dass Luft- und Brennstoffdüsen drallstabil in gleicher Richtung von Verbrennungsluft bzw. Brennstoff oder auch von dem sich anschließend einstellenden Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch durchströmt werden.In the air nozzles 9 is in each case a fuel nozzle according to the invention 2 used, over which fuel in an acceleration distance 10 the air nozzles 9 can be injected into the air jet. The fuel nozzles 2 are with the air nozzles 9 Aligned so that air and fuel nozzles are swirl-stable in the same direction of combustion air or fuel or by the then adjusting fuel-combustion air mixture flows through.

Die in die Luftdüsen 9 jeweils eingesetzten Brennstoffdüsen 2 sind gestuft ausgebildet und weisen eine zentrale Hauptdüse 4 und zwei symmetrisch einander gegenüberliegend um die zentrale Hauptdüse 4 angeordneten Nebendüsen 5 auf.The in the air nozzles 9 respectively used fuel nozzles 2 are stepped and have a central main nozzle 4 and two symmetrically opposite each other around the central main nozzle 4 arranged secondary nozzles 5 on.

Wie auch aus 6 deutlich wird, erfolgt eine Eindüsung des Brennstoffes durch die Brennstoffdüsen 2 in den Verbrennungsluftstrahl im Bereich der Beschleunigungsstrecke 10 der Luftdüse 9. Eine teilweise Mischung der von den Luftdüsen 9 eingeleiteten Verbrennungsluft und dem von den Brennstoffdüsen 2 eingespritzten Brennstoff erfolgt in einer sich an die Beschleunigungsstrecke 10 anschließenden Mischstrecke 11. Dadurch stellt sich am Austrittsbereich der Luftdüse 9 hinter der Mischstrecke 11 ein Brennstoffprofil ein, welches allein durch Ansteuerung der Ventile 7a, 7b in den Verzweigungen 3a, 3b der zentralen Brennstoffzuführleitung 3 wie bereits beschrieben einstellbar ist. Das Brennstoffprofil kann durch die Brennstoffverteilung innerhalb der Verbrennungsluft sowie das in der Mischstrecke 11 durch geeignete Einspritzung des Brennstoffes aus den Brennstoffdüsen 2 in den Luftstrahl der Luftdüse 9 einstellbare Brennstoff-Luft-Verhältnis (Äquivalenzverhältnis) optimal an die äußeren Lastbedingungen des Gasturbinenbrennkammersystems angepasst werden. Dies erlaubt eine Variation des Brennstoff-Luftverhältnisses über einen weiten Bereich. Somit kann mit dem erfindungsgemäßen Aufbau auf den Einsatz von zusätzlichen Zünd- bzw. Pilotbrennern verzichtet werden.As well as out 6 becomes clear, there is an injection of the fuel through the fuel nozzles 2 in the combustion air jet in the region of the acceleration section 10 the air nozzle 9 , A partial mixture of the air jets 9 introduced combustion air and that of the fuel nozzles 2 injected fuel takes place in a to the acceleration section 10 subsequent mixing section 11 , This raises the exit area of the air nozzle 9 behind the mixing line 11 a fuel profile, which alone by controlling the valves 7a . 7b in the branches 3a . 3b the central fuel supply line 3 as already described is adjustable. The fuel profile may be due to the fuel distribution within the combustion air as well as in the mixing section 11 by suitable injection of the fuel from the fuel nozzles 2 in the air jet of the air nozzle 9 adjustable fuel-air ratio (equivalence ratio) can be optimally adapted to the external load conditions of the gas turbine combustor system. This allows a variation of the fuel-air ratio over a wide range. Thus, with the construction according to the invention can be dispensed with the use of additional ignition or pilot burners.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 0463218 B1 [0003] EP 0463218 B1 [0003]
  • DE 60022457 T2 [0004] DE 60022457 T2 [0004]

Claims (14)

Brennstoffzuführungseinrichtung (1) für ein technisches Brennkammersystem für die flammenlose Verbrennung mit mindestens einer Brennstoffdüse (2), die zur gestuften, insbesondere zweistufigen Brennstoffzufuhr eine zentrale Hauptdüse (4), mehrere um die zentrale Hauptdüse (4) verteilt angeordnete Nebendüsen (5) aufweist, und mit einer Brennstoffversorgung, über welche die zentrale Hauptdüse (4) und die Nebendüsen (5) der Brennstoffdüse (2) mit Brennstoff gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführung der Hauptdüse (4) und den Nebendüsen (5) den gleichen Brennstoff zuführt, wobei eine der Hauptdüse (4) zugeführte Brennstoffmenge relativ zu einer den Nebendüsen (5) zugeführten Brennstoffmenge durch mindestens ein Regulierungsmittel (7a, 7b) steuerbar ist.Fuel supply device ( 1 ) for a technical combustion chamber system for flameless combustion with at least one fuel nozzle ( 2 ), which for stepped, in particular two-stage fuel supply, a central main nozzle ( 4 ), several around the central main nozzle ( 4 ) arranged sub-nozzles ( 5 ) and with a fuel supply via which the central main nozzle ( 4 ) and the secondary nozzles ( 5 ) of the fuel nozzle ( 2 ) are fed with fuel, characterized in that the fuel supply of the main nozzle ( 4 ) and the secondary nozzles ( 5 ) supplies the same fuel, one of the main nozzles ( 4 ) supplied fuel quantity relative to a the secondary nozzles ( 5 ) supplied by at least one regulatory means ( 7a . 7b ) is controllable. Brennstoffzuführungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffversorgung über Verbindungsleitungen (3a, 3b) mit der Hauptdüse (4) und mit den Nebendüsen (5) der Brennstoffdüse (2) verbunden ist, wobei an mindestens einer der Verbindungsleitungen (3a, 3b) mindestens ein Regulierungsmittel (7a, 7b) zur Steuerung der Durchflussmenge des Brennstoffes durch die Hauptdüse (4) und/oder durch die Nebendüsen (5) vorgesehen ist.Fuel supply device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the fuel supply via connecting lines ( 3a . 3b ) with the main nozzle ( 4 ) and with the secondary nozzles ( 5 ) of the fuel nozzle ( 2 ) is connected to at least one of the connecting lines ( 3a . 3b ) at least one regulatory agent ( 7a . 7b ) for controlling the flow rate of the fuel through the main nozzle ( 4 ) and / or through the secondary nozzles ( 5 ) is provided. Brennstoffzuführungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (3a, 3b) über eine zentrale Brennstoffleitung (3) mit der Brennstoffversorgung verbunden ist.Fuel supply device ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the connecting lines ( 3a . 3b ) via a central fuel line ( 3 ) is connected to the fuel supply. Brennstoffzuführungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptdüse (4) und die Nebendüsen (5) in der Brennstoffdüse (2) angeordnet sind, wobei die Nebendüsen (5) in Umfangsrichtung der Brennstoffdüse (2) gleichmäßig, insbesondere auf einem Kreis liegend um die zentrale Hauptdüse (4) verteilt sind.Fuel supply device ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the main nozzle ( 4 ) and the secondary nozzles ( 5 ) in the fuel nozzle ( 2 ), the secondary nozzles ( 5 ) in the circumferential direction of the fuel nozzle ( 2 ) evenly, in particular lying on a circle around the central main nozzle ( 4 ) are distributed. Brennstoffzuführungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebendüsen (5) paarweise an diametral gegenüberliegenden Seiten um die Hauptdüse (4) herum angeordnet sind.Fuel supply device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the secondary nozzles ( 5 ) in pairs on diametrically opposite sides around the main nozzle ( 4 ) are arranged around. Brennstoffzuführungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (2) an ihrer austrittsseitigen Stirnfläche derart abgeschrägt ausgebildet ist, dass die Austrittsöffnungen der Nebendüsen (5) in Strömungsrichtung gegenüber der Austrittsöffnung der Hauptdüse (4) axial versetzt sind.Fuel supply device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel nozzle ( 2 ) is beveled on its exit-side end face such that the outlet openings of the auxiliary nozzles ( 5 ) in the flow direction relative to the outlet opening of the main nozzle ( 4 ) are axially offset. Brennstoffzuführungseinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung der Hauptdüse (5) in Strömungsrichtung gegenüber den Austrittsöffnungen der Nebendüsen (5) vorsteht.Fuel supply device ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the outlet opening of the main nozzle ( 5 ) in the flow direction opposite the outlet openings of the auxiliary nozzles ( 5 ) protrudes. Gasturbinenbrennkammersystem zur flammenlosen Verbrennung von Brennstoff mit einer Brennkammer, einem Brennerkopf (8), in dem mehrere Luftdüsen (9) ausgebildet sind, um der Brennkammer Verbrennungsluft zuzuführen, wobei zur Mischung von Brennstoff mit einer über die Luftdüsen (9) zugeführten Verbrennungsluft mindestens eine Brennstoffzuführungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche an dem Brennerkopf (8) vorgesehen ist.Gas turbine combustion chamber system for flameless combustion of fuel with a combustion chamber, a burner head ( 8th ), in which several air nozzles ( 9 ) are adapted to supply combustion air to the combustion chamber, wherein for mixing fuel with a via the air nozzles ( 9 ) supplied combustion air at least one fuel supply device ( 1 ) according to one of the preceding claims on the burner head ( 8th ) is provided. Gasturbinenbrennkammersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (2) eine der Luftdüsen (9) zumindest hineinragt.Gas turbine combustor system according to claim 8, characterized in that the fuel nozzle ( 2 ) one of the air nozzles ( 9 ) at least protrudes. Gasturbinenbrennkammersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Brennstoffdüsen (2) in dem Brennerkopf (8) der Anzahl an Luftdüsen (9) in dem Brennerkopf (8) entspricht, wobei eine Brennstoffdüse (2) in eine Luftdüse (9) eingreift und insbesondere zentral darin gehalten ist.Gas turbine combustor system according to claim 9, characterized in that the number of fuel nozzles ( 2 ) in the burner head ( 8th ) the number of air nozzles ( 9 ) in the burner head ( 8th ), wherein a fuel nozzle ( 2 ) in an air nozzle ( 9 ) and in particular centrally held therein. Gasturbinenbrennkammersystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (2) und die Luftdüsen (9) in gleicher Richtung durchströmt werden.Gas turbine combustor system according to one of claims 8 to 10, characterized in that the fuel nozzles ( 2 ) and the air nozzles ( 9 ) are flowed through in the same direction. Gasturbinenbrennkammersystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf (8) konzentrisch zu der dem Brennerkopf (8) nachgeschalteten Brennkammer angeordnet ist.Gas turbine combustor system according to one of claims 8 to 11, characterized in that the burner head ( 8th ) concentric with the burner head ( 8th ) downstream combustion chamber is arranged. Gasturbinenbrennkammersystem nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf (8) einen zylindrischen Querschnitt aufweist.Gas turbine combustor system according to one of claims 8 to 12, characterized in that the burner head ( 8th ) has a cylindrical cross-section. Gasturbinenbrennkammersystem nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdüsen (9) auf einem Kreis konzentrisch zum Brennerkopf (8) angeordnet sind.Gas turbine combustion chamber system according to one of claims 8 to 13, characterized in that the air nozzles ( 9 ) on a circle concentric to the burner head ( 8th ) are arranged.
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