EP2196733A1 - Burner lance - Google Patents

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Publication number
EP2196733A1
EP2196733A1 EP08171526A EP08171526A EP2196733A1 EP 2196733 A1 EP2196733 A1 EP 2196733A1 EP 08171526 A EP08171526 A EP 08171526A EP 08171526 A EP08171526 A EP 08171526A EP 2196733 A1 EP2196733 A1 EP 2196733A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
lance
heat shield
opening
tip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08171526A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marcus Fischer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP08171526A priority Critical patent/EP2196733A1/en
Publication of EP2196733A1 publication Critical patent/EP2196733A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F23D11/101—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet

Definitions

  • the present invention relates to a burner lance, in particular a burner lance for a gas turbine burner.
  • Such burning lances are used, for example, in burners which can be operated both with liquid fuel and with gaseous fuel.
  • the lance for operation with the liquid fuels such as oil
  • the oil flows through the lance, exits at its tip through several oil nozzles and thus fed to the combustion.
  • the gaseous fuels are often injected into an air supply channel surrounding the nozzle lance.
  • the lance tip is therefore usually exposed to high temperatures in the range of about 800 to 1,000 ° C. These high temperatures can lead to coking of residues of liquid fuels in the nozzle openings of the burner lance.
  • a burner lance for use in a Burner especially in a gas turbine burner to provide, which helps to overcome the disadvantages mentioned.
  • Another object of the invention is to provide an advantageous burner, in particular a gas turbine burner.
  • the first object is achieved by a burner lance according to claim 1, the second object by a burner according to claim 9.
  • the dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.
  • a burner lance according to the invention comprises a lance tip with at least one fuel nozzle surrounded by a heat shield.
  • the heat shield is spaced from the lance tip so that there is a flow channel for a cooling fluid between the heat shield and the lance tip.
  • the heat shield has at least one outflow opening for the cooling fluid in the flow channel.
  • the heat shield has at least one upstream to the outflow and connected to a cooling fluid supply inlet.
  • the fuel nozzle is arranged in the burner lance according to the invention in a projecting over the surface of the lance tip protrusion which is at least brought to an opening of the heat shield and which can protrude in particular in the opening of the heat shield.
  • the at least bringing the projection to the opening in the heat shield makes it possible to use the heat shield not only in conjunction with gas nozzles, but in particular also in conjunction with atomizing nozzles for liquid fuels.
  • the approach of the nozzle openings makes it possible to atomize the liquid fuel without the corresponding aerosol impinges on the heat shield in the region of the opening.
  • an impact of fuel aerosol on the heat shield can be largely excluded.
  • Coking can be avoided on the heat shield, which could reduce the flow cross-section of the cooling fluid channel in the heat shield on the one hand, which would adversely affect the cooling performance.
  • the projection in which the at least one fuel nozzle is arranged, has a peripheral surface and the opening in the heat shield has an edge, between which there is a gap.
  • the gap leads to a thermal decoupling of the heat shield from the projection, so that a transfer of heat from the heat shield to the nozzle projection can be avoided.
  • the gap represents an outlet opening for the cooling fluid, so that penetration of hot combustion gases into the gap does not take place.
  • the cooling fluid flowing out through the gap cools the nozzle projection, so that its temperature is kept in a moderate range.
  • the projection may in particular be formed by a nozzle body containing the fuel nozzle, which is inserted into a recess in the lance tip adapted to the shape of the nozzle body.
  • This embodiment makes it possible to replace the nozzle body, if in spite of the thermal decoupling of the heat shield and the cooling thermally induced damage to the projection occur. But also a replacement due to other causes, for example, to realize a different atomization profile is possible.
  • the inflow opening for the cooling fluid may advantageously be arranged in a peripheral surface of the heat shield. This makes it possible to fix the heat shield over its entire circumference at its end remote from the lance tip on the lance body, which increases the stability of the arrangement.
  • a burner according to the invention is equipped with a burner lance according to the invention.
  • the burner lance can be used in particular for supplying a liquid fuel.
  • the burner can then also be equipped with fuel nozzles for gaseous fuels.
  • burner lances according to the invention and the burner according to the invention are particularly advantageous when a liquid fuel is supplied by the burner lance
  • burner lances for supplying gaseous fuels can be designed according to the burner lance according to the invention, wherein the fuel nozzle then no atomizing nozzle.
  • the use of the burner lance according to the invention in the burner according to the invention leads to the fact that the maintenance intervals for such a burner can be extended due to the increased service life of the burner lance, which lowers the operating costs.
  • Fig. 1 shows a section of a burner with a burner lance according to the invention in a sectional view.
  • Fig. 2 shows the burner lance of the burner Fig. 1 in a view on her front ..
  • a gas turbine burner shown schematically. This has a one of a substantially cylindrical wall 1 limited air supply channel 3, in the center of a burner lance 5 runs. At the top of the burner lance fuel nozzles 7 are present for injecting a fuel into the air supplied through the air supply channel 3.
  • the burner lance 5 is an oil lance for supplying a liquid fuel.
  • the distribution of the fuel nozzles 7 over the circumference of the tip is in FIG. 2 to recognize, which represents a view on the front of the top.
  • a second fuel supply system 9 which has an axial passage 11 through which the burner lance 5 is passed, so that only the end portion 13 of the burner lance 5 protrudes from the fuel supply system 9.
  • the fuel supply system 9 is connected to swirl vanes 15 located at the downstream end of the fuel supply system 9 and extending through the air supply passage 3.
  • a fuel in the present embodiment, a gaseous fuel, passed into the swirl vanes 15, from where it is injected through nozzle openings 19 in the air flowing through the air supply channel 3 air.
  • the burner shown is a so-called “dual fuel burner", so a burner that can be operated with both gaseous fuels, as well as with liquid fuels.
  • the invention can However, in principle, also be implemented in the context of burners in which both by the fuel supply system 9, and by the burner lance 5 each a fuel in the same state of matter is supplied, ie for example in the context of a burner in which both by the fuel supply system 9, as well a gaseous fuel is supplied through the burner lance 5 in each case.
  • the burner lance 5 can be used as a pilot burner.
  • the fuel nozzle 7 is designed in the present embodiment as a Zerstäubungsdüse, which is supplied via a supply channel for liquid fuels 21 to be atomized liquid fuel.
  • the nozzle 7 is part of a nozzle body 23, which is inserted into a receptacle 25 in the body of the burner lance 5, which is located in the region of a frusto-conical surface 27.
  • the conical surface 27 essentially forms the tip of the burner lance 5.
  • the frusto-conical tip 20 is followed by a substantially cylindrical portion 29, over whose circumference an annular bead 31 extends.
  • a heat shield 33 is fixed, for example by means of a welding or brazing connection, which extends from the bead 31, starting over the front part of the cylindrical portion 29 and over the lateral surface 27 of the frusto-conical portion 28.
  • the end of the heat shield remote from the bead 31 has a central opening 35.
  • a plurality of openings 37 - in the present embodiment three openings - present, representing the inlet openings for cooling air.
  • the inflow openings 37 are distributed around the circumference of the frusto-conical portion around the circumference of the cylindrical part of the heat shield 33 located between the bead 31 and the frusto-conical portion in accordance with the distribution of the fuel nozzles 7, so that cooling air flowing in through the openings 37 flows without deflection can reach their axial flow direction to the nozzle bodies.
  • a cooling air channel 39 is formed. This is supplied through the opening 37 with cooling air coming from the air supply channel 3. The cooling air then flows into the cooling air duct 39, flows around the nozzle body 23 and finally exits through the central opening 35, which forms the main exit opening for the cooling air, into the combustion chamber.
  • the heat shield 33 has further openings 41 into which the nozzle bodies 23 of the fuel nozzles 7 protrude. The dimensions of the further openings 41 are selected so that the peripheral surfaces 43 of the nozzle body have a distance from the edge 45 of the openings 41.
  • a gap 47 remains between the nozzle body 23 and the heat shield 33 (best seen in FIG. 2 ).
  • This gap allows the outflow of a part of the cooling air flowing through the cooling air passage 39.
  • the cooling air flowing out through the gap 47 cools that part of the peripheral surface 43 of the nozzle body 23 which projects into the opening 41.
  • the remaining, located in the cooling air passage 39 part of this peripheral surface 43 is cooled by the main cooling air flow, which flows around the nozzle body 23 to the central outlet opening 35.
  • the gap 47 also allows thermal decoupling of the nozzle body 23 from the heat shield 33, since there is no direct heat-conducting contact between the two ,
  • the nozzle body 23 protrudes into the opening 41, there is when injecting a liquid fuel through a nozzle opening arranged in the end face 49 Even with a spray cone with a large opening angle, there is no risk that droplets of the atomized fuel will strike the material of the heat shield 33.
  • no droplets can be entrained by the cooling air flow flowing in the cooling air duct 39 in the direction of the heat shield.
  • the exiting through the gap 47 cooling air ensures that droplets that are basically on a path that would allow a hitting the edge 45 of the opening 41 are entrained by the air flow, so that the heat shield 33 reliably before a Contamination and associated possible coking is protected.

Landscapes

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nozzles For Spraying Of Liquid Fuel (AREA)

Abstract

The lance (5) has a lance tip arranged at a distance from a thermal shield (33) such that a flow channel (39) for a cooling fluid is provided between the tip and the shield. The shield has an outflow opening (35) for the fluid at an end of the tip, and an inflow opening (37) connected with a cooling fluid supply (3) and located upstream of the outflow opening. The tip has a fuel injector (7) i.e. atomizing nozzle, arranged in a protrusion (23) from an upper surface (27) of the tip. The protrusion is guided to an opening (41) of the shield. An independent claim is also included for a burner comprising fuel injectors for supplying a gaseous fuel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennerlanze, insbesondere eine Brennerlanze für einen Gasturbinenbrenner.The present invention relates to a burner lance, in particular a burner lance for a gas turbine burner.

Derartige Brennlanzen 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 durch die Lanze, tritt an ihrer Spitze durch mehrere Öldüsen aus und so der Verbrennung zugeführt. Die gasförmigen Brennstoffe werden dagegen häufig in einen die Düsenlanze umgebenden Luftzufuhrkanal eingedüst. Beim Betrieb mit gasförmigen Brennstoffen ist die Lanzenspitze daher in der Regel hohen Temperaturen im Bereich von ca. 800 bis 1.000°C ausgesetzt. Diese hohen Temperaturen können zu einer Verkokung von Rückständen flüssiger Brennstoffe in den Düsenöffnungen der Brennerlanze führen. Vor einem Umschalten des Brenners auf einen Betrieb mit einem flüssigen Brennstoff erfolgt daher eine Spülung der Brennstoffpassagen in der Brennerlanze mit einem Kühlwasser, um eventuelle Ablagerungen wegzuspülen. Die Temperatur des Kühlwassers beträgt jedoch nur ca. 25°C, was zu einem Thermoschock in der Spitze der heißen Brennerlanze führt. Dabei bilden sich hohe Temperaturgradienten aus, so dass es insbesondere im Bereich der Düsen der Brennerlanze zu erheblichen Thermospannungen kommen kann. Durch das wiederholte Auftreten solcher Thermospannungen kann es zu Rissen im Bereich der Lanzenspitze kommen, wodurch die Startzahlen und somit die Lebensdauer der Brennstoffdüse verringert werden. In US 7,325,402 ist daher vorgeschlagen, ein Hitzeschild an der Spitze einer mit Gasdüsen ausgestatteten Gasdüsen Pilotlanze mit Gasdüsen anzuordnen.Such burning lances are used, for example, in burners which can be operated both with liquid fuel and with gaseous fuel. In general, the lance for operation with the liquid fuels, such as oil, is provided. The oil flows through the lance, exits at its tip through several oil nozzles and thus fed to the combustion. In contrast, the gaseous fuels are often injected into an air supply channel surrounding the nozzle lance. When operated with gaseous fuels, the lance tip is therefore usually exposed to high temperatures in the range of about 800 to 1,000 ° C. These high temperatures can lead to coking of residues of liquid fuels in the nozzle openings of the burner lance. Before switching the burner to operation with a liquid fuel, therefore, a flushing of the fuel passages in the burner lance with a cooling water to flush away any deposits. However, the temperature of the cooling water is only about 25 ° C, resulting in a thermal shock in the top of the hot burner lance. High temperature gradients are formed, so that considerable thermal stresses can occur, especially in the area of the nozzles of the burner lance. The repeated occurrence of such thermal stresses can lead to cracks in the area of the lance tip, whereby the starting numbers and thus the life of the fuel nozzle are reduced. In US 7,325,402 It is therefore proposed to arrange a heat shield at the tip of a gas nozzle equipped with a gas nozzle pilot lance with gas nozzles.

Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennerlanze 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 Brenner, insbesondere einen Gasturbinenbrenner, zur Verfügung zu stellen.Compared to this prior art, it is an object of the present invention, a burner lance for use in a Burner, especially in a gas turbine burner to provide, which helps to overcome the disadvantages mentioned. Another object of the invention is to provide an advantageous burner, in particular a gas turbine burner.

Die erste Aufgabe wird durch eine Brennerlanze nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch einen Brenner nach Anspruch 9. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The first object is achieved by a burner lance according to claim 1, the second object by a burner according to claim 9. The dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.

Eine erfindungsgemäße Brennerlanze umfasst eine von einem Hitzeschild umgebene Lanzenspitze mit wenigstens einer Brennstoffdüse. Der Hitzeschild ist mit Abstand von der Lanzenspitze angeordnet, so dass zwischen dem Hitzeschild und der Lanzenspitze ein Strömungskanal für ein Kühlfluid vorhanden ist. Am Ende der Lanzenspitze weist der Hitzeschild wenigstens eine Ausströmöffnung für das im Strömungskanal befindliche Kühlfluid auf. Weiterhin weist der Hitzeschild wenigstens eine zur Ausströmöffnung stromaufwärts gelegene und mit einer Kühlfluidzufuhr verbundene Einströmöffnung auf. Die Brennstoffdüse ist in der erfindungsgemäßen Brennerlanze in einem über die Oberfläche der Lanzenspitze vorstehenden Vorsprung angeordnet, der an eine Öffnung des Hitzeschildes zumindest herangeführt ist und der insbesondere in die Öffnung des Hitzeschildes hineinragen kann.A burner lance according to the invention comprises a lance tip with at least one fuel nozzle surrounded by a heat shield. The heat shield is spaced from the lance tip so that there is a flow channel for a cooling fluid between the heat shield and the lance tip. At the end of the lance tip, the heat shield has at least one outflow opening for the cooling fluid in the flow channel. Furthermore, the heat shield has at least one upstream to the outflow and connected to a cooling fluid supply inlet. The fuel nozzle is arranged in the burner lance according to the invention in a projecting over the surface of the lance tip protrusion which is at least brought to an opening of the heat shield and which can protrude in particular in the opening of the heat shield.

Das zumindest Heranführen des Vorsprungs an die Öffnung im Hitzeschild ermöglicht es, den Hitzeschild nicht nut in Verbindung mit Gasdüsen, sondern insbesondere auch in Verbindung mit Zerstäubungsdüsen für flüssige Brennstoffe zu verwenden. Das Heranführen der Düsenöffnungen ermöglicht es, den flüssigen Brennstoff zu zerstäuben, ohne dass das entsprechende Aerosol im Bereich der Öffnung auf den Hitzeschild auftrifft. Insbesondere dann, wenn der Vorsprung sogar in die Öffnung hineingeführt ist, kann ein Auftreffen von Brennstoff-Aerosol auf den Hitzeschild weitgehend ausgeschlossen werden. Durch das Vermeiden des Auftreffens von Brennstoff auf den Hitzeschild lassen sich Verkokungen am Hitzeschild vermeiden, die einerseits den Strömungsquerschnitt des Kühlfluidkanals im Hitzeschild verringern könnten, was die Kühlleistung negativ beeinträchtigen würde. Solche Verkokungen würden unter Umständen das Spülen der Kühlfluidkanäle notwendig machen, womit die Eingangs beschriebenen mit dem Thermoschock verbundenen Schwierigkeiten lediglich von der Düsenspitze in den Hitzeschild verlagert wären. Durch das Heranführen der Düsenöffnungen an die Öffnung im Hitzeschild lassen sich diese Schwierigkeiten vermeiden, wodurch das in US 7,325,402 beschriebene Hitzeschildkonzept auch für Brennerlanzen zum Eindüsen von flüssigen Brennstoffen zur Anwendung kommen kann.The at least bringing the projection to the opening in the heat shield makes it possible to use the heat shield not only in conjunction with gas nozzles, but in particular also in conjunction with atomizing nozzles for liquid fuels. The approach of the nozzle openings makes it possible to atomize the liquid fuel without the corresponding aerosol impinges on the heat shield in the region of the opening. In particular, when the projection is even led into the opening, an impact of fuel aerosol on the heat shield can be largely excluded. By avoiding the impact of fuel on the heat shield Coking can be avoided on the heat shield, which could reduce the flow cross-section of the cooling fluid channel in the heat shield on the one hand, which would adversely affect the cooling performance. Such coking would possibly necessitate flushing the cooling fluid passages, thus shifting the input problems associated with the thermal shock merely from the nozzle tip into the heat shield. By bringing the nozzle openings to the opening in the heat shield, these difficulties can be avoided, whereby the in US 7,325,402 described heat shield concept can also be used for burner lances for the injection of liquid fuels.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Vorsprung, in dem die mindestens eine Brennstoffdüse angeordnet ist, eine Umfangsfläche und die Öffnung im Hitzeschild einen Rand aufweisen, zwischen denen ein Spalt vorhanden ist. Der Spalt führt zu einer thermischen Entkopplung des Hitzeschildes von dem Vorsprung, so dass ein Übertragen der Wärme aus dem Hitzeschild auf den Düsenvorsprung vermieden werden kann. Gleichzeitig stellt der Spalt eine Austrittsöffnung für das Kühlfluid dar, so dass ein Eindringen von heißen Verbrennungsgasen in den Spalt nicht stattfindet. Zudem kühlt das durch den Spalt ausströmende Kühlfluid den Düsenvorsprung, so dass dessen Temperatur in einem moderaten Bereich gehalten wird. Besonders vorteilhaft ist diese Weiterbildung der Brennerlanze, wenn der Spalt die Umfangfläche des Vorsprungs vollständig umgibt, weil dann eine gleichmäßige Wirkung über den gesamten Umfang des Düsenkörpers besteht.In particular, it is advantageous if the projection, in which the at least one fuel nozzle is arranged, has a peripheral surface and the opening in the heat shield has an edge, between which there is a gap. The gap leads to a thermal decoupling of the heat shield from the projection, so that a transfer of heat from the heat shield to the nozzle projection can be avoided. At the same time, the gap represents an outlet opening for the cooling fluid, so that penetration of hot combustion gases into the gap does not take place. In addition, the cooling fluid flowing out through the gap cools the nozzle projection, so that its temperature is kept in a moderate range. This refinement of the burner lance is particularly advantageous if the gap completely surrounds the peripheral surface of the projection, because then there is a uniform effect over the entire circumference of the nozzle body.

Der Vorsprung kann insbesondere von einem die Brennstoffdüse enthaltenden Düsenkörper gebildet sein, der in eine an die Form des Düsenkörpers angepasste Aussparung in der Lanzenspitze eingesetzt ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Düsenkörper auszutauschen, falls trotz der thermischen Entkopplung vom Hitzeschild und der Kühlung thermisch bedingte Schäden am Vorsprung auftreten. Aber auch ein Austauschen aufgrund anderer Ursachen, beispielsweise um ein anderes Zerstäubungsprofil zu realisieren, ist möglich.The projection may in particular be formed by a nozzle body containing the fuel nozzle, which is inserted into a recess in the lance tip adapted to the shape of the nozzle body. This embodiment makes it possible to replace the nozzle body, if in spite of the thermal decoupling of the heat shield and the cooling thermally induced damage to the projection occur. But also a replacement due to other causes, for example, to realize a different atomization profile is possible.

Die Einströmöffnung für das Kühlfluid kann vorteilhafter weise in einer Umfangsfläche des Hitzeschildes angeordnet sein. Dadurch wird ein Fixieren des Hitzeschildes über seinen kompletten Umfang an seinem von der Lanzenspitze abgewandten Ende am Lanzenkörper möglich, was die Stabilität der Anordnung erhöht.The inflow opening for the cooling fluid may advantageously be arranged in a peripheral surface of the heat shield. This makes it possible to fix the heat shield over its entire circumference at its end remote from the lance tip on the lance body, which increases the stability of the arrangement.

Ein erfindungsgemäßer Brenner ist mit einer erfindungsgemäßen Brennerlanze ausgestattet. Die Brennerlanze kann hierbei insbesondere zur Zufuhr eines flüssigen Brennstoffes Verwendung finden. Zusätzlich zur Brennerlanze kann der Brenner dann auch mit Brennstoffdüsen für gasförmige Brennstoffe ausgestattet sein.A burner according to the invention is equipped with a burner lance according to the invention. The burner lance can be used in particular for supplying a liquid fuel. In addition to the burner lance, the burner can then also be equipped with fuel nozzles for gaseous fuels.

Obwohl die erfindungsgemäße Brennerlanze und der erfindungsgemäße Brenner insbesondere vorteilhaft sind, wenn durch die Brennerlanze ein flüssiger Brennstoff zugeführt wird, können auch Brennerlanzen zur Zufuhr von gasförmigen Brennstoffen entsprechend der erfindungsgemäßen Brennerlanze ausgebildet sein, wobei die Brennstoffdüse dann keine Zerstäubungsdüse ist.Although the burner lance according to the invention and the burner according to the invention are particularly advantageous when a liquid fuel is supplied by the burner lance, burner lances for supplying gaseous fuels can be designed according to the burner lance according to the invention, wherein the fuel nozzle then no atomizing nozzle.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Brennerlanze im erfindungsgemäßen Brenner führt aufgrund der erhöhten Lebensdauer der Brennerlanze dazu, dass die Wartungsintervalle für einen solchen Brenner verlängert werden können, was die Betriebskosten senkt.The use of the burner lance according to the invention in the burner according to the invention leads to the fact that the maintenance intervals for such a burner can be extended due to the increased service life of the burner lance, which lowers the operating costs.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the accompanying figures.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Brenner mit einer erfindungsgemäßen Brennerlanze in einer geschnittenen Darstellung. Fig. 1 shows a section of a burner with a burner lance according to the invention in a sectional view.

Fig. 2 zeigt die Brennerlanze des Brenners aus Fig. 1 in einer Ansicht auf ihre Vorderseite.. Fig. 2 shows the burner lance of the burner Fig. 1 in a view on her front ..

Als ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Brenner ist in Fig. 1 ein Gasturbinenbrenner schematisch dargestellt. Dieser weist einen von einer im Wesentlichen zylinderförmigen Wand 1 begrenzten Luftzufuhrkanal 3 auf, in dessen Zentrum eine Brennerlanze 5 verläuft. An der Spitze der Brennerlanze sind Brennstoffdüsen 7 zum Eindüsen eines Brennstoffes in die durch den Luftzufuhrkanal 3 zugeführte Luft vorhanden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Brennerlanze 5 eine Öllanze zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffes. Die Verteilung der Brennstoffdüsen 7 über den Umfang der Spitze ist in Figur 2 zu erkennen, die eine Ansicht auf die Vorderseite der Spitze darstellt.As an embodiment of a burner according to the invention is in Fig. 1 a gas turbine burner shown schematically. This has a one of a substantially cylindrical wall 1 limited air supply channel 3, in the center of a burner lance 5 runs. At the top of the burner lance fuel nozzles 7 are present for injecting a fuel into the air supplied through the air supply channel 3. In the present embodiment, the burner lance 5 is an oil lance for supplying a liquid fuel. The distribution of the fuel nozzles 7 over the circumference of the tip is in FIG. 2 to recognize, which represents a view on the front of the top.

Neben der Brennerlanze 5 umfasst der Brenner ein zweites Brennstoffzufuhrsystem 9, welches eine axiale Durchführung 11 besitzt, durch die die Brennerlanze 5 hindurchgeführt ist, so dass lediglich der Endabschnitt 13 der Brennerlanze 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.In addition to the burner lance 5 of the burner comprises a second fuel supply system 9, which has an axial passage 11 through which the burner lance 5 is passed, so that only the end portion 13 of the burner lance 5 protrudes from the fuel supply system 9. The fuel supply system 9 is connected to swirl vanes 15 located at the downstream end of the fuel supply system 9 and extending through the air supply passage 3. By means of fuel supply channels 17, a fuel, in the present embodiment, a gaseous fuel, passed into the swirl vanes 15, from where it is injected through nozzle openings 19 in the air flowing through the air supply channel 3 air.

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 grundsätzlich auch im Rahmen von Brennern realisiert werden, in denen sowohl durch das Brennstoffzufuhrsystem 9, als auch durch die Brennerlanze 5 jeweils ein Brennstoff im selben Aggregatzustand zugeführt wird, also beispielsweise im Rahmen eines Brenners, in dem sowohl durch das Brennstoffzufuhrsystem 9, als auch durch die Brennerlanze 5 jeweils ein gasförmiger Brennstoff zugeführt wird. Beispielsweise kann dann die Brennerlanze 5 als Pilotbrenner Verwendung finden.At the in Fig. 1 The burner shown is a so-called "dual fuel burner", so a burner that can be operated with both gaseous fuels, as well as with liquid fuels. The invention can However, in principle, also be implemented in the context of burners in which both by the fuel supply system 9, and by the burner lance 5 each a fuel in the same state of matter is supplied, ie for example in the context of a burner in which both by the fuel supply system 9, as well a gaseous fuel is supplied through the burner lance 5 in each case. For example, then the burner lance 5 can be used as a pilot burner.

Die Brennstoffdüse 7 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine Zerstäubungsdüse ausgeführt, welcher über einen Zufuhrkanal für flüssige Brennstoffe 21 ein zu zerstäubender flüssiger Brennstoff zugeführt wird. Die Düse 7 ist Teil eines Düsenkörpers 23, der in eine Aufnahme 25 im Körper der Brennerlanze 5 eingesetzt ist, die sich im Bereich einer kegelstumpfförmigen Fläche 27 befindet. Die kegelförmige Fläche 27 bildet im wesentlichen die Spitze der Brennerlanze 5.The fuel nozzle 7 is designed in the present embodiment as a Zerstäubungsdüse, which is supplied via a supply channel for liquid fuels 21 to be atomized liquid fuel. The nozzle 7 is part of a nozzle body 23, which is inserted into a receptacle 25 in the body of the burner lance 5, which is located in the region of a frusto-conical surface 27. The conical surface 27 essentially forms the tip of the burner lance 5.

An die kegelstumpfförmige Spitze 20 schließt sich eine im wesentlichen zylindrischer Abschnitt 29 an, über dessen Umfang sich ein ringförmiger Wulst 31 erstreckt. An diesem ist ein Hitzeschild 33 befestigt, beispielsweise mittels einer Schweiß- oder Hartlötverbindung, das sich vom Wulst 31 ausgehend über den vorderen Teil des zylindrischen Abschnitts 29 und über die Mantelfläche 27 des kegelstumpfförmigen Abschnitts 28 erstreckt. Das vom Wulst 31 entfernte Ende des Hitzeschildes weiset eine zentrale Öffnung 35 auf. Außerdem sind im Bereich des zylindrischen Abschnitts 29 der Brennerlanze 5 über den Umfang des Hitzeschildes 33 verteilt mehrere Öffnungen 37 - im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Öffnungen - vorhanden, die Einströmöffnungen für Kühlluft darstellen. Die Einströmöffnungen 37 sind entsprechend der Verteilung der Brennstoffdüsen 7 um den Umfang des kegelstumpfförmigen Abschnitts um den Umfang des zwischen dem Wulst 31 und dem kegelstumpfförmigen Abschnitt gelegenen zylinderförmigen Teils des Hitzeschildes 33 verteilt, so dass durch die Öffnungen 37 einströmende Kühlluft ohne eine Ablenkung aus ihrer axialen Strömungsrichtung zu den Düsenkörpern gelangen kann.The frusto-conical tip 20 is followed by a substantially cylindrical portion 29, over whose circumference an annular bead 31 extends. At this a heat shield 33 is fixed, for example by means of a welding or brazing connection, which extends from the bead 31, starting over the front part of the cylindrical portion 29 and over the lateral surface 27 of the frusto-conical portion 28. The end of the heat shield remote from the bead 31 has a central opening 35. In addition, in the region of the cylindrical portion 29 of the burner lance 5 distributed over the circumference of the heat shield 33 a plurality of openings 37 - in the present embodiment, three openings - present, representing the inlet openings for cooling air. The inflow openings 37 are distributed around the circumference of the frusto-conical portion around the circumference of the cylindrical part of the heat shield 33 located between the bead 31 and the frusto-conical portion in accordance with the distribution of the fuel nozzles 7, so that cooling air flowing in through the openings 37 flows without deflection can reach their axial flow direction to the nozzle bodies.

Zwischen dem Hitzeschild 33 einerseits und der Mantelfläche 27 der kegelstumpfförmigen Spitze 28 sowie der bis zum Wulst 31 reichenden Mantelfläche des zylinderförmigen Abschnittes andererseits ist ein Kühlluftkanal 39 gebildet. Dieser wird durch die Öffnung 37 mit Kühlluft versorgt die aus dem Luftzufuhrkanal 3 stammt. Die Kühlluft strömt dann in den Kühlluftkanal 39 ein, umströmt den Düsenkörper 23 und tritt schließlich durch die zentrale Öffnung 35, welche die Hauptaustrittsöffnung für die Kühlluft bildet, in die Brennkammer aus. Daneben weist der Hitzeschild 33 weitere Öffnungen 41 auf, in welche die Düsenkörper 23 der Brennstoffdüsen 7 hineinragen. Die Abmessungen der weiteren Öffnungen 41 sind so gewählt, dass die Umfangsflächen 43 der Düsenkörper einen Abstand vom Rand 45 der Öffnungen 41 aufweisen. Auf diese Weise verbleibt ein Spalt 47 zwischen dem Düsenkörper 23 und dem Hitzeschild 33 (am besten erkennbar in Figur 2). Dieser Spalt ermöglicht das Ausströmen eines Teils der durch den Kühlluftkanal 39 strömenden Kühlluft. Die durch den Spalt 47 ausströmende Kühlluft kühlt dabei denjenigen Teil der Umfangsfläche 43 des Düsenkörpers 23, der in die Öffnung 41 hineinragt. Der übrige, sich im Kühlluftkanal 39 befindliche Teil dieser Umfangsfläche 43 wird vom Hauptkühlluftstrom, der um den Düsenkörper 23 herum zur zentralen Austrittsöffnung 35 strömt, gekühlt.Between the heat shield 33 on the one hand and the lateral surface 27 of the frusto-conical tip 28 and to the bead 31 reaching lateral surface of the cylindrical portion on the other hand, a cooling air channel 39 is formed. This is supplied through the opening 37 with cooling air coming from the air supply channel 3. The cooling air then flows into the cooling air duct 39, flows around the nozzle body 23 and finally exits through the central opening 35, which forms the main exit opening for the cooling air, into the combustion chamber. In addition, the heat shield 33 has further openings 41 into which the nozzle bodies 23 of the fuel nozzles 7 protrude. The dimensions of the further openings 41 are selected so that the peripheral surfaces 43 of the nozzle body have a distance from the edge 45 of the openings 41. In this way, a gap 47 remains between the nozzle body 23 and the heat shield 33 (best seen in FIG FIG. 2 ). This gap allows the outflow of a part of the cooling air flowing through the cooling air passage 39. The cooling air flowing out through the gap 47 cools that part of the peripheral surface 43 of the nozzle body 23 which projects into the opening 41. The remaining, located in the cooling air passage 39 part of this peripheral surface 43 is cooled by the main cooling air flow, which flows around the nozzle body 23 to the central outlet opening 35.

Neben der Möglichkeit, Kühlluft durch den Spalt 47 zwischen der Umfangsfläche 43 des Düsenkörpers 23 und dem Rand 45 der Öffnung 41 austreten zu lassen, ermöglicht der Spalt 47 auch eine thermische Entkopplung des Düsenkörpers 23 vom Hitzeschild 33, da kein direkter wärmeleitender Kontakt zwischen beiden besteht.In addition to the possibility of cooling air through the gap 47 between the peripheral surface 43 of the nozzle body 23 and the edge 45 of the opening 41 to escape, the gap 47 also allows thermal decoupling of the nozzle body 23 from the heat shield 33, since there is no direct heat-conducting contact between the two ,

Aufgrund der Tatsache, dass der Düsenkörper 23 in die Öffnung 41 hineinragt, besteht beim Eindüsen eines flüssigen Brennstoffs durch eine in der Stirnfläche 49 angeordnete Düsenöffnung 51 selbst bei einem Spritzkegel mit großem Öffnungswinkel nicht das Risiko, dass Tröpfchen des zerstäubten Brennstoffes auf das Material des Hitzeschildes 33 auftreffen. Außerdem können bei der dargestellten Geometrie keine Tröpfchen durch den im Kühlluftkanal 39 strömenden Kühlluftstrom in Richtung auf den Hitzeschild mitgerissen werden. Schließlich sorgt auch die durch den Spalt 47 austretende Kühlluft dafür, dass Tröpfchen, die sich grundsätzlich auf einer Bahn befinden, die ein Auftreffen auf den Rand 45 der Öffnung 41 ermöglichen würden, durch den Luftstrom mitgerissen werden, so dass der Hitzeschild 33 zuverlässig vor einer Verunreinigung und einer damit einhergehenden möglichen Verkokung geschützt ist.Due to the fact that the nozzle body 23 protrudes into the opening 41, there is when injecting a liquid fuel through a nozzle opening arranged in the end face 49 Even with a spray cone with a large opening angle, there is no risk that droplets of the atomized fuel will strike the material of the heat shield 33. In addition, in the illustrated geometry no droplets can be entrained by the cooling air flow flowing in the cooling air duct 39 in the direction of the heat shield. Finally, the exiting through the gap 47 cooling air ensures that droplets that are basically on a path that would allow a hitting the edge 45 of the opening 41 are entrained by the air flow, so that the heat shield 33 reliably before a Contamination and associated possible coking is protected.

Claims (10)

Brennerlanze (5) mit einer von einem Hitzeschild (33) umgebenen Lanzenspitze (28, 29) mit wenigstens einer Brennstoffdüse (7), wobei der Hitzeschild (33) mit Abstand von der Lanzenspitze (28, 29) angeordnet ist, so dass zwischen dem Hitzeschild (33) und der Lanzenspitze (28, 29) ein Strömungskanal (39) für ein Kühlfluid vorhanden ist und wobei der Hitzeschild (33) am Ende der Lanzenspitze (28, 29) wenigstens eine Ausströmöffnung (35) für das im Strömungskanal (39) befindliche Kühlfluid und wenigstens eine zur Ausströmöffnung (35) stromaufwärts gelegene und mit einer Kühlfluidzufuhr (3) verbundene Einströmöffnung (37) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennstoffdüse (5) in einem über die Oberfläche (27) der Lanzenspitze (28) vorstehenden Vorsprung (33) angeordnet ist, der an eine Öffnung (41) des Hitzeschildes (33) zumindest herangeführt ist.A burner lance (5) having a lance tip (28, 29) surrounded by a heat shield (33) with at least one fuel nozzle (7), said heat shield (33) being spaced from said lance tip (28, 29) such that there between Heat shield (33) and the lance tip (28, 29) a flow channel (39) for a cooling fluid is present and wherein the heat shield (33) at the end of the lance tip (28, 29) at least one outflow opening (35) for in the flow channel (39 ) and at least one upstream of the outflow opening (35) and with a cooling fluid supply (3) connected to the inlet opening (37),
characterized in that
the fuel nozzle (5) is arranged in a projection (33) projecting over the surface (27) of the lance tip (28), which projection is at least brought to an opening (41) of the heat shield (33). Brennerlanze (5) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Vorsprung (23) in die Öffnung (41) des Hitzeschildes (33) hineinragt.Burner lance (5) according to claim 1,
characterized in that
the projection (23) projects into the opening (41) of the heat shield (33). Brennerlanze (5) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Vorsprung (23) eine Umfangsfläche (43) und die Öffnung (41) im Hitzeschild einen Rand (45) aufweisen, zwischen denen ein Spalt (47) vorhanden ist.Burner lance (5) according to claim 2,
characterized in that
the protrusion (23) has a peripheral surface (43) and the opening (41) in the heat shield has an edge (45) between which there is a gap (47). Brennerlanze (5) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spalt (47) die Umfangsfläche (43) des Vorsprungs (23) vollständig umgibt.Burner lance (5) according to claim 3,
characterized in that
the gap (47) completely surrounds the peripheral surface (43) of the projection (23). Brennerlanze (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Vorsprung von einem eine Düsenöffnung (51) enthaltenden Düsenkörper (23) gebildet ist, der in eine an die Form des Düsenkörpers (23) angepasste Aussparung (25) in der Lanzenspitze eingesetzt ist.Burner lance (5) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the projection is formed by a nozzle body (23) containing a nozzle opening (51) which is inserted into a recess (25) in the lance tip adapted to the shape of the nozzle body (23). Brennerlanze (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einströmöffnung (37) in einer Umfangsfläche des Hitzeschildes (33) angeordnet ist.Burner lance (5) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the inflow opening (37) is arranged in a peripheral surface of the heat shield (33). Brennerlanze (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere Einströmöffnungen (37) vorhanden sind, die gleichmäßig um den Umfang des Hitzeschildes (33) verteilt sind.Burner lance (5) according to one of the preceding claims,
characterized in that
a plurality of inflow openings (37) are present, which are distributed uniformly around the circumference of the heat shield (33). Brennerlanze (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennstoffdüse (7) eine Zerstäubungsdüse ist.Burner lance (5) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the fuel nozzle (7) is a spray nozzle. Brenner, insbesondere Gasturbinenbrenner, mit einer Brennerlanze (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche.Burner, in particular gas turbine burner, with a burner lance (5) according to one of the preceding claims. Brenner nach Anspruch 9, in welchem die Brennerlanze (5) zur Zufuhr eines flüssigen Brennstoffes Verwendung findet und welcher zusätzlich zur Brennerlanze Brennstoffdüsen (19) für gasförmige Brennstoffe aufweist.Burner according to Claim 9, in which the burner lance (5) is used to supply a liquid fuel and which has fuel nozzles (19) for gaseous fuels in addition to the burner lance.
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