DE4307086A1 - Brennstoffzuführung für eine Gasturbine - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine Brennstoffzuführung für eine wahlweise mit Gas und/oder Flüssigbrennstoff betreibbare Gas­ turbine, umfassend einen in einem Hauptgasrohr verlaufenden Hauptgaskanal, welcher von außen durch das Gasturbinengehäu­ se und einen innerhalb des Gasturbinengehäuses angeordneten und mit komprimierter Luft beaufschlagten Raum (Plenum) zu einem in einen Brennraum mündenden Brenner geführt wird, und innerhalb des Hauptgaskanals eine herausziehbare Brenn­ stofflanze, welche im Inneren einen Flüssigbrennstoffkanal zur Zuführung von Flüssigbrennstoff zu einer im Brenner ange­ ordneten Brennstoffdüse enthält, sowie Mittel zur Zuführung von Zerstäuberluft für die Zerstäubung des Flüssigbrenn­ stoffs.

Stand der Technik

Bei Gasturbinen mit einer im Gasturbinengehäuse untergebrach­ ten, üblicherweise ringförmigen Brennkammer ist es notwendig, den Brennstoff mittels einer Brennstoffzuführung von außen durch das Gasturbinengehäuse und den mit verdichteter Luft gefüllten Zwischenraum, das sogenannte Plenum, zu den in den Brennraum mündenden Brennern zu führen. Die für den Brennvor­ gang benötigte verdichtete Luft tritt dabei aus dem Plenum von hinten in die Brenner ein, welche beispielsweise als Dop­ pelkegelbrenner ausgebildet sein können.

Wenn die Gasturbinen für den wahlweisen Betrieb mit gasförmi­ gem und/oder Flüssigbrennstoff (z. B. Öl) ausgelegt sind, enthält die Brennstoffzuführung nicht nur einen Hauptgaskanal für die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs, sondern auch ei­ nen Flüssigbrennstoffkanal, der häufig in einer in den Haupt­ gaskanal einschiebbaren Brennstofflanze untergebracht ist und am vorderen Ende der Brennstofflanze in einer Brennstoffdüse endet, die bei eingeschobener Lanze innerhalb des Brenners zu liegen kommt.

Damit eine effektive Verbrennung des Flüssigbrennstoffs ge­ währleistet ist, muß der Flüssigbrennstoff in der Brenn­ stoffdüse in geeigneter Weise zerstäubt werden. Für die Zer­ stäubung wird eine komprimierte Zerstäuberluft benötigt, die der Brennstoffdüse zugeführt werden muß. Bei den bisher be­ kannten Brennstoffzuführungen wird diese Zerstäuberluft sepa­ rat komprimiert, nach dem Komprimieren rückgekühlt und über eine eigene Zuleitung zur Brennstoffdüse geleitet (sog. "Air- Assist"). Nachteilig ist bei dieser Technik, das für die Be­ reitstellung der Zerstäuberluft zusätzliche Geräte benötigt werden, und daß in der Brennstoffzuführung eine eigene durchgehende Leitung vorgesehen werden muß. Wenn diese Lei­ tung das den Flüssigbrennstoffkanal bildende Flüssigbrenn­ stoffrohr konzentrisch umgibt, wird der Ein- und Ausbau der Brennstoffdüse erschwert.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzuführung der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß sich eine vereinfachte Bereitstellung der Zerstäuberluft ergibt.

Die Aufgabe wird bei einer Brennstoffzuführung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Mittel einen Zerstäu­ berluftkanal umfassen, welcher Zerstäuberluft aus dem Plenum zur Brennstoffdüse leitet.

Der Kern der Erfindung besteht also darin, die notwendige Zerstäuberluft nicht von außerhalb des Gasturbinengehäuses separat zuzuführen, sondern unmittelbar vor der Brennstoffdü­ se aus dem Plenum abzuzweigen, wobei der Druckabfall im Bren­ ner ausgenutzt wird. Hierdurch entfallen alle Vorrichtungen zur Aufbereitung der Zerstäuberluft.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Zerstäuberluftkanal innerhalb der Brennstofflanze zwischen Plenum und Brenner verläuft, daß die Brennstofflanze am dem Brenner abgewandten Ende des Zer­ stäuberluftkanals wenigstens eine erste seitliche Luftein­ strömöffnung aufweist, daß im Hauptgasrohr wenigstens eine zweite seitliche Lufteinströmöffnung zum Plenum hin vorgese­ hen ist, und daß die beiden Lufteinströmöffnungen bei einge­ schobener Brennstofflanze übereinanderstehen und gegen den Hauptgaskanal abgedichtet sind. Durch die erste seitliche Lufteinströmöffnung ist es möglich, eine zentrale Brennstoff­ düse einfach zu montieren und zu demontieren.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Hauptgaskanal und die Brenn­ stofflanze, und innerhalb der Brennstofflanze der Zerstäuber­ luftkanal und der Flüssigbrennstoffkanal konzentrisch inein­ ander angeordnet sind, daß die Brennstofflanze in einem Mit­ telstück des Hauptgasrohres an den Wänden des Hauptgasrohres anliegt und mittels in axialer Richtung hintereinander auf der Brennstofflanze angeordneter Dichtringe einen gegenüber dem Hauptgaskanal abgedichteten Bereich bildet, daß die bei­ den Lufteinströmöffnungen innerhalb des abgedichteten Be­ reichs angeordnet sind, und daß das Hauptgas in dem Mittel­ stück in wenigstens einem ersten Überströmkanal um den abge­ dichteten Bereich herumgeleitet wird. Hierdurch wird er­ reicht, daß sich die Brennstofflanze leicht austauschen läßt, weil ein derart ausgestalteter seitlicher Anschluß der ersten Lufteinströmöffnungen keine axiale Behinderung darstellt.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An­ sprüchen.

Kurze Erläuterung der Figuren

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 im Längsschnitt (entlang der Ebene A-A aus Fig. 2) den Aufbau einer Brennstoffzuführung gemäß einem be­ vorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im ent­ scheidenden Mittelstück; und

Fig. 2 den Querschnitt entlang der Ebene B-B aus Fig. 1.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist im Längsschnitt der mittlere im Plenum 20 der Gasturbine befindliche Teil einer Brennstoffzuführung 1 ge­ zeigt, wie er sich für eine bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ergibt. Die zugeführten Gas- bzw. Flüssigkeits­ ströme kommen in dieser Darstellung von der rechten Seite, auf welcher die Brennstoffdurchführung 1 durch das (nicht ge­ zeigte) Gasturbinengehäuse geführt ist. Auf der linken-Seite endet die Brennstoffzuführung 1 in einem (ebenfalls nicht dargestellten) Brenner, der beispielsweise ein Doppelkegel­ brenner sein kann, wie er aus der DE-A1-37 07 773 bekannt ist.

Die Brennstoffzuführung 1 des Beispiels ist grundsätzlich konzentrisch aufgebaut: In einem äußeren Hauptgasrohr 2, welches üblicherweise am Gasturbinengehäuse befestigt ist, liegt zentriert und herausziehbar eine Brennstofflanze 4, die ihrerseits weitgehend konzentrisch aufgebaut ist, wobei sich jedoch der Aufbau links und rechts von einem Mittelstück 3 unterscheidet. Zwischen der Brennstofflanze 4 und dem Haupt­ gasrohr 2 wird ein Hauptgaskanal 15 gebildet, durch den das Hauptgas zum Brenner geleitet wird.

Links vom Mittelstück 3 umfaßt die Brennstofflanze 4 ein äußeres Pilotgasrohr 7, ein darin liegendes Zerstäuberluft­ rohr 8 und ein im Zerstäuberluftrohr 8 angeordnetes, zentra­ les Flüssigbrennstoffrohr 9. Das Flüssigbrennstoffrohr 9 en­ det auf der linken Seite in einer (nicht gezeigten) Brenn­ stoffdüse, die vom Zerstäuberluftrohr 8 mantelförmig umgeben ist und sich bei eingeschobener Brennstofflanze 4 innerhalb des Brenners befindet. Zwischen dem Pilotgasrohr 7 und dem Zerstäuberluftrohr 8 wird ein Pilotgaskanal 14 gebildet, durch den Pilotgas zur brennerseitigen Spitze der Brenn­ stofflanze 4 geführt werden kann. Zwischen dem Zerstäuberluftrohr 8 und dem Flüssigbrennstoffrohr 9 wird auf die gleiche Weise ein Zerstäuberluftkanal 10 gebildet, durch welchen Zerstäuberluft zur Brennstoffdüse gelangt. Der Zer­ stäuberluftkanal 10 endet im Mittelstück 3 an einem An­ schlußteil 21. Das Flüssigbrennstoffrohr 9 schließlich um­ schließt einen Flüssigbrennstoffkanal 19.

Rechts vom Mittelstück 3 ist innerhalb der Brennstofflanze 4 der Flüssigbrennstoffkanal 19 nur vom Pilotgaskanal 14 umge­ ben. Ein Zerstäuberluftrohr ist hier nicht vorhanden, weil die Zerstäuberluft erst im Mittelstück 3 aus dem Plenum 20 in die Brennstofflanze 4 eintritt.

Der Anschluß des Zerstäuberluftkanals 10 an das umgebende Plenum 20 erfolgt innerhalb des Mittelstücks 3, das zu diesem Zweck eine spezielle Ausgestaltung erfährt, die insbesondere aus dem in Fig. 2 dargestellten Querschnitt durch das Mittel­ stück entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Ebene B-B deut­ lich wird: Im Mittelstück 3 wird der zentrale Teil des Haupt­ gasrohres 2 durch eine sich über eine gewisse Länge erstrec­ kende Verdickung der Brennstofflanze 4 verschlossen, wobei die Brennstofflanze 4 an den Wänden des Hauptgasrohres 2 an­ liegt. Am vorderen und hinteren Ende der Verdickung sind je­ weils Paare von Dichtringen 16 bzw. 17 auf der Brennstofflan­ ze 4 angeordnet, so daß sich zwischen diesen Dichtungsring- Paaren 16, 17 ein gegenüber dem Hauptgaskanal 15 abgedichte­ ter Bereich ergibt.

Innerhalb dieses abgedichteten Bereichs sind in der Brenn­ stofflanze 4 sich gegenüberliegende erste seitliche Luftein­ strömöffnungen (11 in Fig. 1; 11a, b in Fig. 2) und im Haupt­ gasrohr 2 sich gegenüberliegende zweite seitliche Luftein­ strömöffnungen (12 in Fig. 1; 12a, b in Fig. 2) angeordnet. Die ersten und zweiten Lufteinströmöffnungen liegen paarweise übereinander (11a, 12a bzw. 11b, 12b) und ermöglichen damit von zwei Seiten einen breiten Zugang vom Plenum 20 zum Zer­ stäuberluftkanal 10, durch den die verdichtete Luft aus dem Plenum 20 weitgehend ungehindert in den Zerstäuberluftkanal 10 einströmen kann.

Zur Umgehung dieser Zerstäuberluft-Durchgänge wird sowohl das Hauptgas als auch das Pilotgas durch spezielle erste bzw. zweite Überströmkanäle (5 bzw. 6 in Fig. 1; 5a, b bzw. 6a, b in Fig. 2) an dem abgedichteten Bereich seitwärts vorbeige­ führt. Beim Mittelstück 3 sind die ersten Überströmkanäle 5 bzw. 5a, b als separate Kanäle am Hauptgasrohr 2 seitlich an­ geformt. Aus diesem Grund wird als Mittelstück 3 vorzugsweise ein Gußteil verwendet. Bei der Brennstofflanze 4 werden die zweiten Überströmkanäle 6 bzw. 6a, b dadurch gebildet, daß am an sich runden Anschlußteil 21 quer zu den Lufteinström­ öffnungen (11a, b, 12a, b) plane Flächen (22 in Fig. 1 bzw. 22a, b in Fig. 2) angefräst sind, die vom runden Pilotgasrohr 7 überdeckt werden. Die zweiten Überströmkanäle 6, 6a, b sind mit dem rechts vom Mittelstück 3 liegenden Teil des Pilotgas­ kanals 14 durch einen in das Anschlußteil 21 eingebrachten Verbindungskanal 13 - z. B. eine Durchgangsbohrung - verbun­ den.

Die Größe der Lufteinströmöffnungen 11a, b bzw. 12a, b ist so gehalten, daß vom Plenum 20 zum Zerstäuberluftkanal 10 hin nur ein sehr kleiner Druckabfall entsteht. Hierdurch wird gleichzeitig ein Zugang zum zentralen Flüssigbrennstoffrohr 9 mit der an seiner Spitze angeordneten Brennstoffdüse ermög­ licht. Wenn - wie in Fig. 1 dargestellt - das Flüssigbrenn­ stoffrohr 9 im Bereich der Lufteinströmöffnungen 11a, b bzw. 12a, b ein Gewindestück 18 aufweist, mit welchem es in eine entsprechende Gewindebohrung 23 im Anschlußteil 21 einge­ schraubt ist, kann das Flüssigbrennstoffrohr 9 mit der Brenn­ stoffdüse bequem durch die Öffnungen ein- und ausgebaut wer­ den, wodurch die Montage und Wartung der Brennstoffzuführung wesentlich vereinfacht wird.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine Brennstoffzufüh­ rung, welche die folgenden Vorteile aufweist:

• - Die Konstruktion erlaubt die Zuführung der Zerstäuberluft unmittelbar vor der Brennstoffdüse unter Ausnutzung des Brenner-Druckabfalls
• - Es ist keine separate Zerstäuberluft notwendig, so daß der damit verbundene Aufwand für Hilfsluft-Kompressor und Rückkühler sowie Regel- und Verteileinheiten entfällt
• - Durch den ständig vorhandenen Brenner-Druckabfall wird bei einer eventuell auftretenden Gas-Leckage das Gas automa­ tisch abgesaugt
• - Durch die Einströmöffnungen läßt sich die zentrale Öl­ bzw. Brennstoffdüse einfach montieren und demontieren
• - Die Brennstofflanze läßt sich leicht aus tauschen, weil das seitliche "Luftfenster" keine axiale Montagebehinde­ rung darstellt.

Bezugszeichenliste

1 Brennstoffzuführung
2 Hauptgasrohr
3 Mittelstück
4 Brennstofflanze
5, 5a, b Überströmkanal (Hauptgas)
6, 6a, b Überströmkanal (Pilotgas)
7 Pilotgasrohr
8 Zerstäuberluftrohr
9 Flüssigbrennstoffrohr
10 Zerstäuberluftkanal
11, 11a, b Lufteinströmöffnung (Brennstofflanze)
12, 12a, b Lufteinströmöffnung (Kreuzungsstück)
13 Verbindungskanal
14 Pilotgaskanal
15 Hauptgaskanal
16, 17 Dichtring
18 Gewindestück
19 Flüssigbrennstoffkanal
20 Plenum
21 Anschlußteil
22, 22a, b plane Fläche
23 Gewindebohrung

Claims (8)

1. Brennstoffzuführung (1) für eine wahlweise mit Gas und/oder Flüssigbrennstoff betreibbare Gasturbine, umfassend einen in einem Hauptgasrohr (2) verlaufenden Hauptgaskanal (15), welcher von außen durch das Gasturbinengehäuse und ei­ nen innerhalb des Gasturbinengehäuses angeordneten und mit komprimierter Luft beaufschlagten Raum (Plenum 20) zu einem in einen Brennraum mündenden Brenner geführt wird, und inner­ halb des Hauptgaskanals (15) eine herausziehbare Brenn­ stofflanze (4), welche im Inneren einen Flüssigbrennstoffka­ nal (19) zur Zuführung von Flüssigbrennstoff zu einer im Brenner angeordneten Brennstoffdüse enthält, sowie Mittel zur Zuführung von Zerstäuberluft für die Zerstäubung des Flüssig­ brennstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel einen Zerstäuberluftkanal (10) umfassen, welcher Zerstäuberluft aus dem Plenum (20) zur Brennstoffdüse leitet.

2. Brennstoffzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Zerstäuberluftkanal (10) innerhalb der Brenn­ stofflanze (4) zwischen Plenum (20) und Brenner verläuft, daß die Brennstofflanze (4) am dem Brenner abgewandten Ende des Zerstäuberluftkanals (10) wenigstens eine erste seitliche Lufteinströmöffnung (11) aufweist, daß im Hauptgasrohr (2) wenigstens eine zweite seitliche Lufteinströmöffnung (12) zum Plenum (20) hin vorgesehen ist, und daß die beiden Luftein­ strömöffnungen (11, 12) bei eingeschobener Brennstofflanze (4) übereinanderstehen und gegen den Hauptgaskanal (15) abge­ dichtet sind.

3. Brennstoffzuführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hauptgaskanal (15) und die Brennstofflanze (4), und innerhalb der Brennstofflanze (4) der Zerstäuberluftkanal (10) und der Flüssigbrennstoffkanal (19) konzentrisch inein­ ander angeordnet sind, daß die Brennstofflanze (4) in einem Mittelstück (3) des Hauptgasrohres (2) an den Wänden des Hauptgasrohres (2) anliegt und mittels in axialer Richtung hintereinander auf der Brennstofflanze (4) angeordneter Dichtringe (16, 17) einen gegenüber dem Hauptgaskanal (15) abgedichteten Bereich bildet, daß die beiden Lufteinström­ öffnungen (11, 12) innerhalb des abgedichteten Bereichs ange­ ordnet sind, und daß das Hauptgas in dem Mittelstück (3) in wenigstens einem ersten Überströmkanal (5) um den abgedich­ teten Bereich herumgeleitet wird.

4. Brennstoffzuführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß jeweils zwei gegenüberliegende erste und zweite Lufteinströmöffnungen (11a, b; 12a, b) vorgesehen sind, und das Hauptgas durch zwei ebenfalls gegenüberliegende und bezüglich der Lufteinströmöffnungen (11a, b; 12a, b) um 90° verdreht an­ geordnete erste Überströmkanäle (5a, b) geleitet wird.

5. Brennstoffzuführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen dem Flüssigbrennstoffkanal (19) und dem Hauptgaskanal (15) ein konzentrischer Pilotgaskanal (14) vor­ gesehen ist, welcher vom Mittelstück (3) an zwischen dem Zer­ stäuberluftkanal (10) und dem Hauptgaskanal (15) verläuft, und daß das Pilotgas in dem Mittelstück (3) in wenigstens einem zweiten Überströmkanal (6) um den abgedichteten Be­ reich herumgeleitet wird.

6. Brennstoffzuführung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß jeweils zwei gegenüberliegende erste und zweite Lufteinströmöffnungen (11a, b; 12a, b) vorgesehen sind, und das Pilotgas durch zwei ebenfalls gegenüberliegende und bezüglich der Lufteinströmöffnungen (11a, b; 12a, b) um 90° verdreht an­ geordnete zweite Überströmkanäle (6a, b) geleitet wird.

7. Brennstoffzuführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Flüssigbrennstoffkanal (19) im Bereich des Zer­ stäuberluftkanals (10) durch ein Flüssigbrennstoffrohr (9) gebildet wird, welches im Bereich der Lufteinströmöffnungen (11, 12) ein Gewindestück (18) aufweist und mit dem Gewinde­ stück (18) in eine entsprechende Gewindebohrung (23) in einem Anschlußteil (21) der Brennstofflanze (4) eingeschraubt wer­ den kann.

8. Brennstoffzuführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Mittelstück (3) als Gußteil ausgebildet ist.