EP3250857B1 - Brenneranordnung - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a burner arrangement for a combustion chamber, in particular a gas turbine combustion chamber, for burning fluid fuels.
- a second premixed fuel stage can be integrated into the pilot burner. This stage must then also be supplied via its own fuel supply and fuel channel.
- the invention solves this problem in that, in the case of such a burner arrangement for a combustion chamber, in particular a gas turbine combustion chamber, for firing fluidic fuels, with a main burner and one arranged centrally therein Pilot burner, which is used to ignite and / or to stabilize the combustion of the main burner, the main burner comprising a first ring air duct for supplying combustion air and first fuel nozzles for injecting fuel into the first ring air duct, the pilot burner comprising a second ring air duct for supplying combustion air and one Burner head with second fuel nozzles for injecting a fuel into the second ring air duct, the second fuel nozzles being provided as separately controllable first and second fuel stages, for supplying fuel to the first and second fuel stages, a burner carrier tube connected to the burner head with a tube wall, the Pipe wall has at least a first and a second deep hole running parallel to the longitudinal axis of the burner support tube for supplying the first and second fuel stages with fuel.
- the first and second deep-hole bores are expediently arranged on different radii in relation to the longitudinal axis of the burner support tube in the tube wall, so that fuel can be fed directly to a respective fuel stage via straight bores.
- the production of such bores is comparatively inexpensive.
- the burner carrier tube has a diffusion gas passage on its axis, which also opens into the burner head, so that diffusion operation is also possible.
- the burner support tube is connected to a support plate in the flow direction of a fuel upstream of the burner head, the support plate having fuel ring distributors, from which the at least one first and a second deep-hole bore branch off.
- the carrier plate has fuel connections which open into the fuel ring distributor.
- the second ring air duct which advantageously has second swirl vanes, the second fuel nozzles being arranged in the second swirl vanes.
- the Figure 1 shows schematically and by way of example a section through part of a burner arrangement 1 according to the invention.
- the burner arrangement 1 is essentially radially symmetrical about the longitudinal axis 13 and comprises a main burner 2 and a pilot burner 3 arranged therein, which serves to ignite and / or stabilize the combustion of the main burner 2.
- the second fuel nozzles 8 are provided as first and second fuel stages 9, 10, each fuel stage 9, 10 having its own fuel supply.
- Figure 3 shows a downstream detail of the pilot burner 3 Figure 2 , in particular the pilot burner head 7 with the fuel supply for the first and second fuel stages 9, 10.
- Figure 4 shows an upstream detail of the pilot burner 3 Figure 2 , in particular the compensator 37 of the tube-in-tube construction.
- the pilot burner 3 according to the invention is shown in different sectional planes.
- the section runs through second deep-hole bores 15, which represent the inner channel 38
- in FIG Figure 6 is the corresponding view with first deep hole 14 for the outer channel 39.
- the first and second deep hole 14, 15 are arranged on different radii 16, 17 in relation to the longitudinal axis 13 of the burner support tube 11 in the tube wall 12.
- the at least one first and a second deep hole 14, 15 each open into a fuel distribution channel 18, 19 of a fuel stage 9, 10.
- Figure 7 shows a side view of the downstream end of the burner support tube 11 of the burner arrangement 1.
- the ends of the first and second deep hole bores 14, 15 of the inner and outer channels 38, 39 can be seen.
- Figure 8 a section through the support plate 21 with the first and second fuel ring manifold 22, 23 and the outer channel 39 formed by deep hole bores 14 in the tube wall 12 of the burner support tube 11th
- the Figure 9 shows a section through the carrier plate 21 with the first and second fuel ring distributors 22, 23 and the inner channel 38 formed by deep-hole bores 15 in the tube wall 12 of the burner carrier tube 11
- Figure 9 a section through the serious fuel connection 24 to the first fuel ring distributor 22 for the outer channel 39.
- the Figure 10 finally shows a section through the carrier plate 21 with the second fuel connection 25 to the second fuel ring distributor 23 for the inner channel 38
- Figure 10 recognizable that the second fuel ring distributor 23 for the inner channel 38 is comparatively close below the surface of the carrier plate 21.
- the fuel connection 25 is implemented via a screw connector 26 with a through bore 27 and essentially radial openings 28 in the external thread 29.
- the Figures 11 and 12 show such a screw connector 26 in plan view and in section.
- FIG Figure 13 shows a detailed view of the burner head 7 with transition to the burner support tube 11.
- the burner head 7, which in the Figure 14 shown in the oblique view is the same as in FIG Figure 3 , According to the invention, only the burner support tube 11 is changed.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung für eine Brennkammer, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, zum Verfeuern fluidischer Brennstoffe.
- Gasturbinen sind in Ihrer Verfügbarkeit hauptsächlich durch Problemstellungen im Verbrennungssystem limitiert. Diese Probleme sind im speziellen das Überschreiten von Emissionsgrenzwerten (NOx und CO) sowie das Brummverhalten, verursacht durch thermoakustische Schwingungen im Bereich der Brennkammer. Um die Emissionen unter Grenzwertbereichen zu halten und das Brummverhalten der Maschine zu unterdrücken, bedarf es einer sehr guten Einstellung (Tuning) der veränderbaren Verbrennungsparameter.
- Bei einem Brenner mit beispielsweise Hauptvormischbrenner und Pilotvormischbrenner sind dies in erster Linie die Brennstoffmassenströme des Hauptvormischbrenners sowie des Pilotvormischbrenners. Dabei gehen je nach Einstellung ca. 90%-95% des Brennstoffmassenstroms durch den Hauptvormischbrenner, der Rest durch den Pilotvormischbrenner. Es ist bekannt dass eine Änderung (schon im Prozentbereich) des Pilotgasmassenstroms einen nennenswerten Einfluss auf Emissionen und auf das Brummverhalten hat. Jedoch ist eine solche Regelung durch eine einzige Brennstoffstufe im Pilotvormischbrenner begrenzt.
- Bisher muss daher vor dem reibungslosen Betrieb der Gasturbine in der Inbetriebnahmephase aufwändig getuned werden. Durch die wenigen Einstellmöglichkeiten an Haupt- und Pilotbrenner müssen so aufwändig enge Korridore durchfahren werden, die durch Emissionen und Stabilität begrenzt sind. Oft müssen hier Kompromisse zwischen stabiler Fahrweise und geringen Emissionen eingegangen werden.
- Um hier Abhilfe zu schaffen, kann eine zweite vorgemischte Brennstoffstufe in den Pilotbrenner integriert werden. Diese Stufe muss dann auch über eine eigene Brennstoffzufuhr und einen eigenen Brennstoffkanal versorgt werden.
- Durch diese Ausführung können beide Stufen unabhängig voneinander gesteuert werden. Beispielsweise können beide Pilotbrennstoffstufen in Pilotbrennerschaufeln integriert sein, um für beide Stufen eine gute Durchmischung von Brennstoff und Luft zu ermöglichen. Durch geschickte Wahl des Bohrungsmusters kann so die radiale Brennstoffverteilung aktiv im Betrieb beeinflusst werden und somit Einfluss auf Emissionen und Verbrennungsstabilität genommen werden. Hierdurch ist es möglich, die Korridore, durch die beim An- und Abfahren der Maschine manövriert werden muss, zu erweitern und das Emissions- und Stabilitätsverhalten, vor allem im Teillastbereich, kann verbessert werden.
- Die
WO 2014/114533 A1 offenbart beispielsweise eine Brenneranordnung mit einer auf der Achse der Brenneranordnung liegenden Diffusionsgaspassage. Diese Passage könnte beispielsweise durch eine Rohr-in-Rohr-Konstruktion für die Brennstoffzufuhr einer zweiten Stufe im Pilotbrenner genutzt werden. Allerdings müsste dann aufgrund der zu erwartenden unterschiedlichen thermischen Dehnungen der Bauteile die Rohr-in-Rohr-Konstruktion durch einen aufwändigen und daher auch vergleichsweise teuren Kompensator entlastet werden. - Dokumente
DE102010061626 undEP2354662 offenbaren Brenneranordnungen für eine Brennkammer, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, zum Verfeuern fluidischer Brennstoffe. - Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brenneranordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine beträchtliche Verbesserung hinsichtlich Emissionen und Stabilität ermöglicht und die zugleich möglichst einfach und kostengünstig herzustellen und zu montieren ist.
- Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie bei einer derartigen Brenneranordnung für eine Brennkammer, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, zum Verfeuern fluidischer Brennstoffe, mit einem Hauptbrenner und einem zentral darin angeordneten Pilotbrenner, der zum Zünden und/oder zum Stabilisieren der Verbrennung des Hauptbrenners dient, der Hauptbrenner umfassend einen ersten Ringluftkanal zur Zuführung von Verbrennungsluft und erste Brennstoffdüsen zum Eindüsen eines Brennstoffs in den ersten Ringluftkanal, der Pilotbrenner umfassend einen zweiten Ringluftkanal zur Zuführung von Verbrennungsluft und einem Brennerkopf mit zweiten Brennstoffdüsen zum Eindüsen eines Brennstoffs in den zweiten Ringluftkanal, wobei die zweiten Brennstoffdüsen als getrennt ansteuerbare erste und zweite Brennstoffstufen vorgesehen sind, zum Zuführen von Brennstoff zu den ersten und zweiten Brennstoffstufen ein an den Brennerkopf anschließendes Brennerträgerrohr mit einer Rohrwand vorsieht, wobei die Rohrwand mindestens eine erste und eine zweite parallel zur Längsachse des Brennerträgerrohres verlaufende Tieflochbohrung für die Versorgung der ersten und zweiten Brennstoffstufen mit Brennstoff aufweist.
- Hierdurch wird das Emissions- und Stabilitätsverhalten der Brenneranordnung verbessert und es kann auf die vergleichsweise aufwändige und teure Rohr-in-Rohr-Konstruktion mit Kompensator verzichtet werden.
- Zweckmäßigerweise sind die erste und zweite Tieflochbohrung auf unterschiedlichen Radien bezogen auf die Längsachse des Brennerträgerrohres in der Rohrwand angeordnet, so dass Brennstoff direkt über gerade Bohrungen einer jeweiligen Brennstoffstufe zugeführt werden kann. Die Herstellung solcher Bohrungen ist vergleichsweise kostengünstig.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform münden die mindestens eine erste und eine zweite Tieflochbohrung in je einen Brennstoffverteilerkanal einer Brennstoffstufe. So kann die Anzahl der Tieflochbohrungen kleiner sein, als die Anzahl der Brennstoffdüsen je Brennstoffstufe.
- Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn das Brennerträgerrohr auf seiner Achse eine Diffusionsgaspassage aufweist, die ebenfalls in den Brennerkopf mündet, so dass auch ein Diffusionsbetrieb möglich ist.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Brennerträgerrohr in Strömungsrichtung eines Brennstoffs stromauf des Brennerkopfes mit einer Trägerplatte verbunden, wobei die Trägerplatte Brennstoffringverteiler aufweist, von denen die mindestens eine erste und eine zweite Tieflochbohrung abzweigen.
- Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Trägerplatte Brennstoffanschlüsse aufweist, die in die Brennstoffringverteiler münden.
- Im Hinblick auf eingeschränkte Platzverhältnisse ist es vorteilhaft, wenn ein Brennstoffanschluss über einen Einschraubverbinder mit durchgehender Bohrung und im Wesentlichen radialen Öffnungen im Außengewinde erfolgt, wobei im eingeschraubten Zustand die radialen Öffnungen auf Höhe eines Brennstoffringverteilers zu liegen kommen. Dadurch wird auch bei vergleichsweise dicht unter der Oberfläche der Trägerplatte liegenden Brennstoffringverteilern sichergestellt, dass der Einschraubverbinder ausreichend tief in die Trägerplatte eingeschraubt werden kann, um eine sichere Verbindung herzustellen.
- Weiterhin ist es im Hinblick auf eine gute Durchmischung von Brennstoff und Luft vorteilhaft, wenn der erste Ringluftkanal erste Drallschaufeln aufweist und die ersten Brennstoffdüsen in den ersten Drallschaufeln angeordnet sind.
- Ebenso gilt dies für den zweiten Ringluftkanal, der vorteilhafterweise zweite Drallschaufeln aufweist, wobei die zweiten Brennstoffdüsen in den zweiten Drallschaufeln angeordnet sind.
- Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
- Figur 1
- eine Brenneranordnung,
- Figur 2
- einen bekannten Pilotbrenner,
- Figur 3
- ein stromabwärtiges Detail des Pilotbrenners aus
Figur 2 , - Figur 4
- ein stromaufwärtiges Detail des Pilotbrenners aus
Figur 2 , - Figur 5
- eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Brenneranordnung den Innenkanal zeigend,
- Figur 6
- eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Brenneranordnung den Außenkanal zeigend,
- Figur 7
- eine Seitenansicht auf das stromabwärtige Ende des Brennerträgerrohrs der Brenneranordnung,
- Figur 8
- einen Schnitt durch Trägerplatte und Außenkanal des Brennerträgerrohrs,
- Figur 9
- einen Schnitt durch Trägerplatte und Anschluss für den Außenkanal sowie durch den Innenkanal des Brennerträgerrohrs,
- Figur 10
- eine Seitenansicht auf einen Schnitt durch die Trägerplatte mit Anschluss für den Innenkanal,
- Figur 11
- einen Einschraubverbinder mit durchgehender Bohrung und radialen Öffnungen im Außengewinde in der Draufsicht,
- Figur 12
- einen Einschraubverbinder mit durchgehender Bohrung und radialen Öffnungen im Außengewinde im Schnitt,
- Figur 13
- eine Detailsicht auf den Brennerkopf mit Übergang zum Brennerträgerrohr und
- Figur 14
- eine Schrägansicht der stromaufwärtigen Seite des Brennerkopfes.
- Die
Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft einen Schnitt durch einen Teil einer Brenneranordnung 1 nach der Erfindung. Die Brenneranordnung 1 ist im Wesentlichen radialsymmetrisch um die Längsachse 13 und umfasst einen Hauptbrenner 2 sowie einen zentral darin angeordneten Pilotbrenner 3, der zum Zünden und/oder Stabilisieren der Verbrennung des Hauptbrenners 2 dient. - Der Hauptbrenner 2 umfasst einen ersten Ringluftkanal 4 zur Zuführung von Verbrennungsluft und erste Brennstoffdüsen 5 zum Eindüsen eines Brennstoffs in den ersten Ringluftkanal 4. Der Pilotbrenner 3 umfasst einen zweiten Ringluftkanal 6 zur Zuführung von Verbrennungsluft und zweite Brennstoffdüsen 8 zum Eindüsen eines Brennstoffs in den zweiten Ringluftkanal 6.
- Die zweiten Brennstoffdüsen 8 sind als erste und zweite Brennstoffstufen 9, 10 vorgesehen, wobei jede Brennstoffstufe 9, 10 eine eigene Brennstoffzufuhr aufweist.
- In der Brenneranordnung 1 der
Figur 1 weist der erste Ringluftkanal 4 erste Drallschaufeln 30 auf, in denen die ersten Brennstoffdüsen 5 angeordnet sind. - Weiterhin weist in der Brenneranordnung 1 der
Figur 1 der zweite Ringluftkanal 6 zweite Drallschaufeln 31 auf. In den zweiten Drallschaufeln 31 sind die zweiten Brennstoffdüsen 8 angeordnet, die sich, wie bereits ausgeführt, in eine erste und eine zweite Brennstoffstufe 9, 10 aufteilen. -
Figur 2 zeigt einen bekannten Pilotbrenner 32 mit einer zentralen Diffusionsgaspassage 20, in der ein Rohr 33 angeordnet ist, wobei zwischen einer Innenwand 34 der Diffusionsgaspassage 20 und einer Rohraußenwand 35 ein Ringkanal 36 für die Brennstoffzufuhr zur zweiten Brennstoffstufe 10 gebildet ist. Diese Rohr-in-Rohr-Konstruktion wird durch einen Kompensator 37 entlastet. -
Figur 3 zeigt ein stromabwärtiges Detail des Pilotbrenners 3 ausFigur 2 , insbesondere den Pilotbrennerkopf 7 mit der Brennstoffzufuhr für die erste und zweite Brennstoffstufe 9, 10. -
Figur 4 zeigt ein stromaufwärtiges Detail des Pilotbrenners 3 ausFigur 2 , insbesondere den Kompensator 37 der Rohr-in-Rohr-Konstruktion. - In den
Figuren 5 und6 ist der erfindungsgemäße Pilotbrenner 3 in unterschiedlichen Schnittebenen gezeigt. InFigur 5 verläuft der Schnitt durch zweite Tieflochbohrungen 15, die den Innenkanal 38 darstellen, inFigur 6 ist die entsprechende Ansicht mit ersten Tieflochbohrungen 14 für den Außenkanal 39. Man erkennt, dass die erste und zweite Tieflochbohrung 14, 15 auf unterschiedlichen Radien 16, 17 bezogen auf die Längsachse 13 des Brennerträgerrohres 11 in der Rohrwand 12 angeordnet sind. Ferner zeigen dieFiguren 5 und6 , dass die mindestens eine erste und eine zweite Tieflochbohrung 14, 15 in je einen Brennstoffverteilerkanal 18, 19 einer Brennstoffstufe 9, 10 münden. -
Figur 7 zeigt eine Seitenansicht auf das stromabwärtige Ende des Brennerträgerrohrs 11 der Brenneranordnung 1. Man erkennt die Enden der ersten und zweiten Tieflochbohrungen 14, 15 von Innen- und Außenkanal 38, 39. - Die
Figuren 8, 9 und10 zeigen geschnittene Detailansichten im Bereich der Trägerplatte 21 des Pilotbrenners 3. - Insbesondere zeigt die
Figur 8 einen Schnitt durch die Trägerplatte 21 mit dem ersten und zweiten Brennstoffringverteiler 22, 23 sowie den durch Tieflochbohrungen 14 gebildeten Außenkanal 39 in der Rohrwand 12 des Brennerträgerrohrs 11. - Die
Figur 9 zeigt einen Schnitt durch die Trägerplatte 21 mit dem ersten und zweiten Brennstoffringverteiler 22, 23 sowie den durch Tieflochbohrungen 15 gebildeten Innenkanal 38 in der Rohrwand 12 des Brennerträgerrohrs 11. Ferner zeigtFigur 9 einen Schnitt durch den ernsten Brennstoffanschluss 24 zum ersten Brennstoffringverteiler 22 für den Außenkanal 39. - Die
Figur 10 zeigt schließlich einen Schnitt durch die Trägerplatte 21 mit dem zweiten Brennstoffanschluss 25 zum zweiten Brennstoffringverteiler 23 für den Innenkanal 38. Dabei ist in derFigur 10 erkennbar, dass der zweite Brennstoffringverteiler 23 für den Innenkanal 38 vergleichsweise dicht unter der Oberfläche der Trägerplatte 21 liegt. Um eine mechanisch zuverlässige Brennstoffzufuhr sicherzustellen, ist der Brennstoffanschluss 25 über einen Einschraubverbinder 26 mit durchgehender Bohrung 27 und im Wesentlichen radialen Öffnungen 28 im Außengewinde 29 realisiert. DieFiguren 11 und 12 zeigen einen solchen Einschraubverbinder 26 in der Draufsicht und im Schnitt. -
Figur 13 zeigt eine Detailsicht auf den Brennerkopf 7 mit Übergang zum Brennerträgerrohr 11. Der Brennerkopf 7, der in derFigur 14 in der Schrägansicht gezeigt ist, ist derselbe wie inFigur 3 . Nach der Erfindung ist lediglich das Brennerträgerrohr 11 verändert.
Claims (9)
- Brenneranordnung (1) für eine Brennkammer, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, zum Verfeuern fluidischer Brennstoffe, mit einem Hauptbrenner (2) und einem zentral darin angeordneten Pilotbrenner (3), der zum Zünden und/oder zum Stabilisieren der Verbrennung des Hauptbrenners (2) dient, der Hauptbrenner (2) umfassend einen ersten Ringluftkanal (4) zur Zuführung von Verbrennungsluft und erste Brennstoffdüsen (5) zum Eindüsen eines Brennstoffs in den ersten Ringluftkanal (4), der Pilotbrenner (3) umfassend einen zweiten Ringluftkanal (6) zur Zuführung von Verbrennungsluft und einem Brennerkopf (7) mit zweiten Brennstoffdüsen (8) zum Eindüsen eines Brennstoffs in den zweiten Ringluftkanal (6), wobei die zweiten Brennstoffdüsen (8) als getrennt ansteuerbare erste und zweite Brennstoffstufen (9, 10) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zuführen von Brennstoff zu den ersten und zweiten Brennstoffstufen (9, 10) ein an den Brennerkopf (7) anschließendes Brennerträgerrohr (11) mit einer Rohrwand (12) vorgesehen ist, und dass die Rohrwand (12) parallel zur Längsachse (13) des Brennerträgerrohres (11) mindestens eine erste und eine zweite Tieflochbohrung (14, 15) für die Versorgung der ersten und zweiten Brennstoffstufen (9, 10) mit Brennstoff aufweist.
- Brenneranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Tieflochbohrung (14, 15) auf unterschiedlichen Radien (16, 17) bezogen auf die Längsachse (13) des Brennerträgerrohres (11) in der Rohrwand (12) angeordnet sind.
- Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine erste und eine zweite Tieflochbohrung (14, 15) in je einen Brennstoffverteilerkanal (18, 19) einer Brennstoffstufe (9, 10) münden.
- Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Brennerträgerrohr (11) auf seiner Achse (13) eine Diffusionsgaspassage (20) aufweist, die ebenfalls in den Brennerkopf (7) mündet.
- Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Brennerträgerrohr (11) in Strömungsrichtung eines Brennstoffs stromauf des Brennerkopfes (7) mit einer Trägerplatte (21) verbunden ist, wobei die Trägerplatte (21) Brennstoffringverteiler (22, 23) aufweist, von denen die mindestens eine erste und eine zweite Tieflochbohrung (14, 15) abzweigen.
- Brenneranordnung (1) nach Anspruch 5, wobei die Trägerplatte (21) Brennstoffanschlüsse (24, 25) aufweist, die in die Brennstoffringverteiler (22, 23) münden.
- Brenneranordnung (1) nach Anspruch 6, wobei ein Brennstoffanschluss (25) über einen Einschraubverbinder (26) mit durchgehender Bohrung (27) und im Wesentlichen radialen Öffnungen (28) im Außengewinde (29) erfolgt, wobei im eingeschraubten Zustand die radialen Öffnungen (28) auf Höhe eines Brennstoffringverteilers (23) zu liegen kommen.
- Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Ringluftkanal (4) erste Drallschaufeln (30) aufweist und die ersten Brennstoffdüsen (5) in den ersten Drallschaufeln (30) angeordnet sind.
- Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Ringluftkanal (6) zweite Drallschaufeln (31) aufweist und die zweiten Brennstoffdüsen (8) in den zweiten Drallschaufeln (31) angeordnet sind.
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