WO2007113054A1 - Brenneranordnung - Google Patents

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Rudolf Lachner
Martin Zajadatz
James Robertson
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/283—Attaching or cooling of fuel injecting means including supports for fuel injectors, stems, or lances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbines. It relates to a burner assembly according to the preamble of claim 1.
  • FIG. 1 shows a burner arrangement 10 in the form of a so-called double-cone burner, which has a swirl space 17 surrounded by a double cone 11 (for the operation of the double-cone burner see, for example, EP-A1-0 321 809).
  • the penetration depth of the fuel jets into the intersecting air flow must be sufficiently high.
  • the depth of penetration of a jet in a cross flow depends on the diameter of the jet and on the ratio of the momentum fluxes of jet and cross flow.
  • liquid fuel can be injected into the swirl space in the axial direction at the tip of the burner lance, wherein the liquid fuel is surrounded by a jacket of shielding air.
  • the burner lance is bounded at the top by an end face perpendicular to the burner axis.
  • the burner lance may be rounded or streamlined at the top.
  • Fig. 2 in a comparable to Fig. 1 representation a multi-level
  • Fig. 4 shows the premix burner of Fig. 2 in the front view with the
  • FIG. 2 an embodiment of the invention is shown in a comparable to FIG. 1 representation.
  • the burner assembly 20 comprises a double cone 11, which encloses a swirl space 17, into which a fuel lance 12 projects from the apex of the cone in the axial direction.
  • premix fuel is injected through a plurality of injection openings in the tangent to the swirl chamber 17 air flow.
  • the first stage 18 instead of the many small injection orifices of the prior art, only two opposing injection orifices 19 having a significantly increased diameter are now provided, through which now the entire premix fuel of the first stage 18 is injected.
  • the two injection openings 19 of the first stage 18 are arranged at a distance a from the tip of the fuel lance 12.
  • the tip of the fuel lance 12 in turn has a distance b from the open end of the swirl space 17.
  • the distance a is 115 mm +/- 10 mm.
  • the distance b is preferably 135 mm.
  • the diameter of the injection openings 19 is preferably 5 mm +/- 0.5 mm.
  • the injection openings 19 are oriented in the radial direction and have relative to the double cone 11 a preferred angular position in the circumferential direction, as is clear from Fig. 4. Defining a median plane 22 passing through the burner axis 21, which is parallel to the direction in which the air flows tangentially into the swirling space 17 through the double cone 11 (small arrows in Fig. 4), the injection openings 19 are at rotated an angle ⁇ of 65 degrees (+5 degrees / -10 degrees) from this center plane 22.
  • FIGS. 2-4 show a burner arrangement in which the burner lance is delimited at the tip by an end face perpendicular to the burner axis (rectangular geometry of the tip). However, it is also conceivable, depending on the configuration of the nozzle for the liquid fuel and the shielding air, that the burner lances are rounded off at the tip or have a streamlined design.

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  • Gas Burners (AREA)
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brenneranordnung (20) mit einem konzentrisch zu einer Brennerachse (21) angeordneten kegelförmigen Drallkörper in Form eines Doppelkegels (11), welcher einen Drallraum (17) umschliesst, und mit einer in der Brennerachse (21) liegenden zentralen Brennstofflanze (12), welche von der Kegelspitze des Drallkörpers (11) her in den Drallraum (17) hineinragt, wobei eine erste Stufe (18) zum Eindüsen von Vormischbrennstoff vorgesehen ist, in welcher der Vormischbrennstoff durch an der Brennstofflanze (12) angeordnete Eindüsungsöffnungen radial nach aussen in den Drallraum (17) eingedüst wird, und wobei eine zweite Stufe (14) zum Eindüsen von Vormischbrennstoff vorgesehen ist, in welcher der Vormischbrennstoff durch Eindüsungsöffnungen im Doppelkegel (11) in einem im Doppelkegel (11) geführten Luftstrom eingedüst wird. Bei einer solchen Brenneranordnung wird der in der ersten Stufe benötigte Gasdruck dadurch reduziert, dass in der ersten Stufe (18) der gesamte Vormischbrennstoff durch zwei gegenüberliegende Eindüsungsöffnungen (19) mit vergrössertem Öffnungsdurchmesser in den Drallraum (17) eingedüst wird.

Description

BESCHREIBUNG
BRENNERANORDNUNG
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine Brenneranordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Der abgestufte Betrieb eines Vormischbrenners vom Typ des Doppelkegelbrenners ist in der Druckschrift WO-A1 -2001/096785 bzw. der äquivalenten US-B2-6,769,903 beschrieben worden. Das in diesen Druckschriften offenbarte Betriebsverfahren ermöglicht einen flexiblen Betrieb des Brenners mit niedrigen Emissionen und Pulsationen über einen weiten Bereich von Brennstoff- und Umgebungsparametern. Eine in den Druckschriften beschriebene Brennerkonfiguration zur Durchführung des Verfahrens ist in Fig. 1 wiedergegeben. Die Fig. 1 zeigt eine Brenneranordnung 10 in Form eines sogenannten Doppelkegelbrenners, der einen von einem Doppelkegel 11 umschlossenen Drallraum 17 aufweist (zur Funktionsweise des Doppelkegelbrenners siehe z.B. die EP-A1-0 321 809). In den Drallraum 17 ragt in axialer Richtung zur Brennerachse 21 eine Brennstofflanze 12 hinein, aus der am vorderen Ende in axialer Richtung flüssiger Brennstoff 16 austritt, der von Abschirmluft 15 umgeben ist. Ein Vormischbrennstoff wird in zwei Stufen 13 und 14 in den Brenner eingedüst. In der ersten Stufe 13 wird der Vormischbrennstoff aus der zentralen Brennstofflanze 12 durch eine Vielzahl von Eindüsungsöffnungen (angedeutet durch die Pfeile in Fig. 1 ) radial nach aussen eingedüst. Die Eindüsungsöffnungen sind so ausgebildet und angeordnet, dass sich eine vorbestimmte Verteilung des eingedüsten Vormischbrennstoffs ergibt.
Um eine gute Durchmischung des Brennstoffs mit Luft zu erreichen, muss die Eindringtiefe der Brennstoffstrahlen in den kreuzenden Luftstrom ausreichend hoch sein. Die Eindringtiefe eines Strahls in einem Querstrom hängt vom Durchmesser des Strahls und vom Verhältnis der Impulsflüsse von Strahl und Querströmung ab. Um mit einer Vielzahl von Eindüsungsöffnungen mit kleinem Durchmesser eine ausreichend Eindringtiefe zu erzielen, werden ziemlich hohe Eindüsgeschwindigkeiten benötigt. Dies führt zu speziellen Anforderungen an die Höhe des Gasdrucks für die erste Stufe.
Hohe Gasdrücke in der ersten Stufe stellen für die bestehende Vormischbrenneranordnung ein erhebliches Problem dar. Dadurch werden dem Einsatz von mehrstufigen Vormischbrennern in Netzen mit niedrigem Gasdruck Grenzen gesetzt. Theoretisch ist es möglich, das Problem dadurch abzuschwächen, dass der Gasdruck mittels eines zusätzlichen Verdichters erhöht wird. Jedoch werden hierdurch die Kosten für die Installation und den Betrieb deutlich erhöht. Es ist deshalb wünschenswert, eine Lösung zu finden, bei welcher die Anforderungen an den Gasdruck für die erste Stufe durch die Gestaltung des Brenners verringert werden, ohne dass die Wirkung des Brenners massgeblich beeinträchtigt wird.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine mehrstufige Brenneranordnung mit einem Vormischbrenner zu schaffen, bei der durch konstruktive Vorkehrungen die Anforderungen an den Druck für die erste Stufe begrenzt werden.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Massgeblich für die vorgeschlagene Lösung ist, dass in der ersten Stufe der gesamte Vormischbrennstoff durch zwei gegenüberliegende Eindüsungsöffnungen mit vergrössertem Öffnungsdurchmesser in den Drallraum eingedüst wird. Durch die in einem Paar mit grossem Öffnungsdurchmesser zusammengefassten
Eindüsungsöffnungen wird ein Betrieb sowohl bei Leerlauf als auch bei Volllast mit reduziertem Gasdruck ermöglicht. Die Lösung ist sehr einfach und robust und kann ohne Schwierigkeiten bei vorhanden Brenneranordnungen implementiert werden. Zusätzlich wird ein Fouling durch Schmutz reduziert.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Eindüsungsöffnungen der ersten Stufe einen Durchmesser von etwa 5 mm aufweisen.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofflanze soweit in den Drallraum hineinragt, dass die Spitze der Brennstoff Ia nze etwa um einen Abstand von 135 mm vom offenen Ende des Drallraums entfernt ist, und dass die beiden Eindüsungsöffnungen in axialer Richtung in einem Abstand von etwa 115 mm von der Spitze der Brennstofflanze entfernt angeordnet sind. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Eindüsungsöffnungen in Umfangrichtung um einen Winkel von etwa 65 Grad aus einer Mittelebene heraus verdreht angeordnet sind, welche parallel zur im Doppelkegel tangential einströmenden Luft orientiert ist.
Insbesondere kann an der Spitze der Brennerlanze flüssiger Brennstoff in axialer Richtung in den Drallraum eingedüst werden, wobei der flüssige Brennstoff von einem Mantel von Abschirmluft umgeben ist.
Weiterhin ist es denkbar, dass die Brennerlanze an der Spitze durch eine senkrecht zur Brennerachse stehenden Stirnfläche begrenzt ist.
Ebenso kann die Brennerlanze an der Spitze abgerundet oder stromlinienförmig ausgebildet sein.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 in einer stark vereinfachten Darstellung die Seitenansicht einer
Brenneranordnung mit einem mehrstufigen Vormischbrenner nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung einen mehrstufigen
Vormischbrenner gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 einige wesentliche Abmessungen beim Vormischbrenner aus Fig.
2; und Fig. 4 den Vormischbrenner aus Fig. 2 in der Frontalansicht mit der
Orientierung der Eindüsungsöffnungen der ersten Stufe in Umfangsrichtung.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 2 ist in einer zur Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Brenneranordnung 20 umfasst einen Doppelkegel 11 , der einen Drallraum 17 umschliesst, in den von der Kegelspitze her eine Brennstofflanze 12 in axialer Richtung hineinragt. In einer zweiten Stufe 14 wird Vormischbrennstoff durch eine Vielzahl von Eindüsungsöffnungen in den tangential in den Drallraum 17 einströmenden Luftstrom eingedüst. In der ersten Stufe 18 sind anstelle der vielen kleinen Eindüsungsöffnungen aus dem Stand der Technik nunmehr nur zwei gegenüberliegende Eindüsungsöffnungen 19 mit deutlich vergrössertem Durchmesser vorgesehen, durch die nunmehr der gesamte Vormischbrennstoff der ersten Stufe 18 eingedüst wird.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind die beiden Eindüsungsöffnungen 19 der ersten Stufe 18 um einen Abstand a entfernt von der Spitze der Brennstofflanze 12 angeordnet. Die Spitze der Brennstofflanze 12 ihrerseits hat von dem offenen Ende des Drallraums 17 einen Abstand b. Bevorzugt beträgt der Abstand a 115 mm +/- 10 mm. Der Abstand b beträgt vorzugsweise 135 mm. Der Durchmesser der Eindüsungsöffnungen 19 beträgt vorzugsweise 5 mm +/- 0,5 mm.
Die Eindüsungsöffnungen 19 sind in radialer Richtung orientiert und haben relativ zum Doppelkegel 11 eine bevorzugte Winkelstellung in Umfangsrichtung, wie dies aus Fig. 4 deutlich wird. Wenn man eine Mittelebene 22 definiert, die durch die Brennerachse 21 geht, und die parallel zu der Richtung ist, in welcher die Luft durch den Doppelkegel 11 tangential in den Drallraum 17 einströmt (kleine Pfeile in Fig. 4), sind die Eindüsungsöffnungen 19 um einen Winkel α von 65 Grad (+5 Grad/ -10 Grad) aus dieser Mittelebene 22 herausgedreht. In den Fig. 2-4 ist eine Brenneranordnung gezeigt, bei der die Brennerlanze an der Spitze durch eine senkrecht zur Brennerachse stehenden Stirnfläche begrenzt ist (rechteckige Geometrie der Spitze). Es ist aber in Abhängigkeit von der Ausgestaltung der Düse für den flüssigen Brennstoff und der Abschirmluft auch denkbar, dass die Brennerlanze an der Spitze abgerundet oder stromlinienförmig ausgebildet sind.
Der Betrieb der erfindungsgemässen Brenneranordnung kann nach den gleichen Prinzipien erfolgen, wie sie in der eingangs genannten Druckschrift erläutert worden ist.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine Brenneranordnung, die sich auszeichnet durch - einen reduzierten Gasdruck sowohl bei Leerlauf- als auch bei
Volllastbetrieb; - eine einfache und robuste Konstruktion; und eine reduzierte Anfälligkeit für schmutzbedingtes Fouling.
BEZUGSZEICHENLISTE
10,20 Brenneranordnung (Vormischbrenner)
11 Doppelkegel
12 Brennstofflanze
13,18 erste Stufe
14 zweite Stufe
15 Abschirmluft
16 flüssiger Brennstoff
17 Drallraum
19 Eindüsungsöffnung erste Stufe
21 Brennerachse
22 Mittelebene a,b Abstand α Winkel

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Brenneranordnung (20) mit einem konzentrisch zu einer Brennerachse (21 ) angeordneten kegelförmigen Drallkörper in Form eines Doppelkegels (11 ), welcher einen Drallraum (17) umschliesst, und mit einer in der Brennerachse (21 ) liegenden zentralen Brennstofflanze (12), welche von der Kegelspitze des Drallkörpers (11 ) her in den Drallraum (17) hineinragt, wobei eine erste Stufe (18) zum Eindüsen von Vormischbrennstoff vorgesehen ist, in welcher der Vormischbrennstoff durch an der Brennstofflanze (12) angeordnete
Eindüsungsöffnungen (19) radial nach aussen in den Drallraum (17) eingedüst wird, und wobei eine zweite Stufe (14) zum Eindüsen von Vormischbrennstoff vorgesehen ist, in welcher der Vormischbrennstoff durch Eindüsungsöffnungen im Doppelkegel (11 ) in einem im Doppelkegel (11 ) geführten Luftstrom eingedüst wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Stufe (18) der gesamte
Vormischbrennstoff durch zwei gegenüberliegende Eindüsungsöffnungen (19) mit vergrössertem Öffnungsdurchmesser in den Drallraum (17) eingedüst wird.
2. Brenneranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Eindüsungsöffnungen (19) der ersten Stufe (18) einen Durchmesser von etwa 5 mm aufweisen.
3. Brenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstofflanze (12) soweit in den Drallraum (17) hineinragt, dass die Spitze der Brennstofflanze (12) um einen Abstand (b) etwa 135 mm vom offenen Ende des Drallraums (17) entfernt ist, und dass die beiden Eindüsungsöffnungen (19) in axialer Richtung in einem Abstand (a) von etwa 115 mm von der Spitze der Brennstoff Ia nze (12) entfernt angeordnet sind.
4. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Eindüsungsöffnungen (19) in Umfangrichtung um einen Winkel (α) von etwa 65 Grad aus einer Mittelebene (22) heraus verdreht angeordnet sind, welche parallel zur im Doppelkegel (11 ) tangential einströmenden Luft orientiert ist.
5. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Spitze der Brennerlanze (12) flüssiger Brennstoff (16) in axialer Richtung in den Drallraum (17) eingedüst wird.
6. Brenneranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Brennstoff (16) von einem Mantel von Abschirmluft (15) umgeben ist.
7. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerlanze (12) an der Spitze durch eine senkrecht zur Brennerachse (21 ) stehenden Stirnfläche begrenzt ist.
8. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerlanze (12) an der Spitze abgerundet oder stromlinienförmig ausgebildet ist.
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