WO2009019114A2 - Brenner für eine brennkammer einer turbogruppe - Google Patents

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WO2009019114A2
WO2009019114A2 PCT/EP2008/059350 EP2008059350W WO2009019114A2 WO 2009019114 A2 WO2009019114 A2 WO 2009019114A2 EP 2008059350 W EP2008059350 W EP 2008059350W WO 2009019114 A2 WO2009019114 A2 WO 2009019114A2
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burner
lance
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combustion chamber
outlet opening
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Jaan Hellat
Adnan Eroglu
Jan Cerny
Douglas Anthony Pennell
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Alstom Technology Ltd
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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
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/343—Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • 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
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    • 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
    • F23C2900/07021—Details of lances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00015—Pilot burners specially adapted for low load or transient conditions, e.g. for increasing stability

Definitions

  • the present invention relates to a burner for a combustion chamber of a turbo group, in particular in a power plant.
  • Such burners have a swirl generator, which encloses a burner interior on the input side and which has at least one air inlet tangential to a longitudinal central axis of the burner. Furthermore, such a burner comprises a mixer, which surrounds the burner interior on the output side and which has an outlet opening open to a combustion chamber of the combustion chamber. In addition, such a burner may be equipped with a lance for introducing pilot fuel into the combustion chamber. The lance is arranged coaxially to the longitudinal central axis of the burner and extends from a burner head, starting in the burner inside.
  • the invention deals with the problem of providing a burner of the type mentioned in an improved embodiment, which is characterized in particular by an increased stability of the combustion process in the combustion chamber.
  • the invention is based on the general idea of constructing the lance from a plurality of tubes arranged concentrically with one another in order to be able to independently supply air, liquid fuel and gaseous fuel.
  • Pilot operation can be better adapted to current operating conditions of the combustion chamber, whereby the combustion reaction can be stabilized in the combustion chamber. For example, when starting or starting up the combustion chamber, a pilot operation with exclusively liquid pilot fuel can be carried out. In the transition to the nominal operating state, which usually no
  • Pilot fuel is supplied via the lance, gaseous pilot fuel can be increasingly supplied. At the same time, the supply of the liquid pilot fuel can be reduced successively. Finally, the supply of gaseous pilot fuel can be successively reduced. Likewise, it is conceivable to supply the supply of pilot fuel for a short-term increase in output of the combustion chamber, wherein here also, depending on various parameters, such as temperature and pressure, liquid or gaseous pilot fuel or any combination thereof can be introduced. Due to the increased variability of the supply of different pilot fuels, the stability of the combustion reaction in the combustion chamber can be improved.
  • an inner annular channel to supply air is advantageous in several ways.
  • the lance can be cooled with the air.
  • the air prevents the penetration of the flames in the unused central channel and in the unused at least one outer channel, whereby a flushing of the respective channel is dispensable in the event that either only liquid pilot fuel or only gaseous pilot fuel is supplied.
  • the lance may be designed so that it extends at least in the pilot operation of the burner as far into the burner inside, that a flame front of a running in the combustion chamber combustion reaction at least partially into an enclosed by an outlet end portion of the mixer end portion of the burner interior extends into it.
  • the pilot operation is simplified due to the reduced distance between the free-standing lance end and the flame front.
  • the stability of the flame front can be increased.
  • the flame front, at least in the part running within the respective burner is largely decoupled from interactions which, in the case of a combustion chamber equipped with a plurality of burners, are caused by the other burners via the common combustion chamber come. The reduction of such interactions stabilizes the flame front.
  • this design makes it easier to transfer results from a single-burner test bench system to an industrial plant that is regularly equipped with multiple burners.
  • FIG. 2 is a view as in Fig. 1, but in another embodiment,
  • FIGS. 1 and 2 are views as in FIGS. 1 and 2, but with the lance extended
  • FIGS. 1 and 2 are views as in FIGS. 1 and 2, but with a more detailed representation of the lance,
  • Fig. 5 is a view as in Fig. 4, but in another embodiment of the lance. Ways to carry out the invention
  • a burner 1 comprises a swirl generator 2, a mixer 3 and a lance 4.
  • the burner 1 forms in the mounted state a component of a combustion chamber, not shown here, of a turbo group, which is arranged in particular in a power plant.
  • the swirl generator 2 encloses an input-side section of a burner interior 5 and has at least one air inlet 6, which extends tangentially with respect to a longitudinal central axis 7 of the burner 1.
  • the swirl generator 2 is configured conical.
  • the respective air inlet 6 forms a longitudinal slot along the cone sheath.
  • a plurality of such air inlets 6 are arranged distributed in the circumferential direction. As a result, the air can penetrate tangentially into the burner interior 5, whereby it is acted upon by a twist.
  • the swirl generator 2 also has a fuel inlet 8, via which gaseous fuel can be introduced into the burner interior 5.
  • this fuel inlet 8 consists of several, along the generatrix of the conical swirl generator 2 extending rows of individual inlet openings through which the fuel gas can enter the burner interior 5.
  • the fuel inlet 8 may be aligned tangentially to increase the swirl effect.
  • the fuel inlet 8 may generate some radial component to enhance mixing with the air.
  • the mixer 3 encloses an output-side section of the burner interior 5 and has an outlet opening 9, which leads to a combustion chamber 10 of FIG Combustion chamber is open.
  • the mixer 3 comprises, for example, a tubular body 11, which is connected via a tubular transition piece 12 to the swirl generator 2 and which carries an outlet flange 13 with the outlet opening 9.
  • the burner 1 can be connected to the combustion chamber.
  • the mixer 3 is cylindrically shaped.
  • the lance 4 is used for introducing pilot fuel into the combustion chamber 10.
  • the lance 4 is arranged coaxially to the longitudinal central axis 7. Furthermore, at least in a pilot operation of the burner 1, the lance 4 extends into the burner interior 5 from a burner head 14, which essentially forms the tip of the conical swirl generator 2. The lance 4 thus starts from the burner head 14 and ends with a lance end 15 freestanding in the burner interior. 5
  • a part of a flame front 16 is also shown, which forms during operation of the combustion chamber by the combustion reaction taking place in the combustion chamber 10.
  • part of this flame front 16 projects into the burner interior 5, into an end section of the burner interior 5, which is enclosed by an outlet-side end region of the mixer 3.
  • the flame front 16 remains within the section of the burner interior 5 enclosed by the outlet flange 13.
  • Such a course of the flame front 16, in which a part of the flame front 16 projects through the outlet opening 9 into the burner interior 5, is characterized by a particular embodiment and / or or arrangement of the lance 4 reached.
  • the lance 4 extends with its free-standing end 15 comparatively far into the burner interior 5, namely to the extent that a part of the flame front 16 extends into the burner interior 5 inside.
  • the lance 4 so deep in the Burner interior 5 may protrude in the direction of the outlet opening 9, the lance 4 must be designed accordingly so that it has the required axial length.
  • the lance 4 is positioned in the burner 1 so that its free-standing end 15 is located in a portion of the burner interior 5 enclosed by the mixer 3. In other words, the lance 4 extends into the mixer 3.
  • the lance 4 with its free-standing end 15 in the axial direction to about half of the mixer 3 or even beyond in the mixer 3 extend into it.
  • a distance 17 entered in FIG. 2, which the freestanding lance end 15 has from the outlet opening 9 is greater than 25% or less than 50% of a distance 18 that an outlet end 19 of the swirl generator 2 has from the outlet opening 9.
  • the distance 17 between outlet opening 9 and lance end 15 is preferably in a range of 25% to 50% of the distance 18 prevailing between outlet opening 9 and outlet-side end 19.
  • an inlet tube 20 which extends coaxially with the lance 4, can be arranged on the burner head 14.
  • This inlet tube 20 projects in the axial direction into a portion of the burner interior 5 enclosed by the swirl generator 2.
  • This inlet tube 20 may be an annular
  • the inlet channel 21 has at least one axially oriented outlet opening 22.
  • the liquid fuel can enter the burner interior 5 substantially in the axial direction, as indicated by arrows 48.
  • the burner 1 can thus be operated with fuel gas and / or with liquid fuel.
  • a plurality of such axial outlet openings 22 are arranged at the end of the inlet tube 20 ending in the burner interior 5.
  • the lance 4 may be arranged in the axial direction adjustable on the burner head 14.
  • the axial position of the free-standing lance end 15 within the burner interior 5 is adjustable. In particular, this allows the position of the part of the flame front 16 projecting into the burner interior 5 to be adjusted.
  • the burner 1 can be adapted to operating parameters of the combustion chamber, which allows stabilization of the combustion process.
  • the lance 4 can thus be retracted more or less deep into the burner interior 5, depending on demand, or extend more or less far out of the burner interior 5.
  • Fig. 3 shows a situation in which the lance 4 is largely extended from the burner interior 5.
  • the lance end 15 expediently ends at the inside of the burner head 14 facing the burner interior 5.
  • the lance 4 is fully extended for a simplified illustration. It can be retracted according to an arrow 23 back into the burner interior 5.
  • the flame front 16 is arranged completely outside the burner interior 5 and is located downstream of the outlet opening 9 with respect to the flow direction of the burner 1.
  • Fig. 3 is a simplified velocity profile 24 is shown, the
  • Distribution of the flow velocity along the cross section of the burner 1 within the mixer 3 represents. Visible, the flow has a significant maximum in the absence of lance 4 in the center. By retracting the lance 4 into the described area within the mixer 3, the flow velocity in the center of the cross section of the mixer 3 is inevitably reduced. At the same time, the speed is correspondingly increased outside the lance 4, ie in the edge region of the cross section, in order to ensure a constant volume flow. The reduction of the central flow velocity allows the flame front 16 to hike upstream. With appropriate positioning and configuration of the lance 4, the flame front 16 projects partially into the burner interior 5, as shown in FIG.
  • Figs. 4 and 5 the lance 4 is also shown cut.
  • the following detailed description of the lance 4 applies in particular to the embodiments of FIGS. 1 to 3.
  • the lance 4 has a plurality of concentrically arranged tubes, namely a central inner tube 25 and an outer tube 26.
  • the inner tube 25 includes a central channel 27 and has at least the free-standing lance end 15 axially oriented outlet opening 28.
  • the central channel 27 serves to supply liquid fuel to the at least one outlet opening 28.
  • the inner tube 25 is in the region of the outlet opening 28 with a nozzle-shaped
  • Cross-sectional constriction 29 equipped, which allows the formation of an intense liquid jet.
  • This liquid fuel jet is indicated in FIGS. 4 and 5 by an arrow 32.
  • the outer tube 26 is sized so that it surrounds the inner tube 25 to form an inner annular channel 30.
  • This inner annular channel 30 is axially open at the end of the lance 15 and thus opens into the burner interior 5.
  • the inner annular channel 30 serves to guide air, which can emerge from the inner annular channel 30 in the axial direction according to an arrow 31.
  • the outer tube 26 is configured hollow-walled, that is, the outer tube 26 has a hollow wall 33 with an inner wall 34 and a radially spaced outer wall 35.
  • the outer tube 26 includes at least one outer channel 36 (Fig 37 ( Figure 5).
  • This at least one outer channel 36, 37 serves to supply gaseous fuel.
  • the outer channel 36, 37 may be configured as an annular channel, which is simply formed between the two walls 34, 35 of the wall 33. According to FIG. 4, this outer annular channel 36 or 37 can have at least one axially oriented outlet opening 38 on the lance end 15, as a result of which an essentially axially oriented injection of fuel gas can be achieved in accordance with an arrow 39. Additionally or alternatively, in an in Fig.
  • an array of a plurality of radial outlet openings 41 may be provided.
  • These radial outlet openings 41 are preferably formed in the outer wall 35 of the hollow wall 33 of the outer tube 26.
  • a corresponding control can be provided which, for example, operates with a sleeve-shaped control element which lies in a first position in front of the radial outlet openings 41. while it locks in a second position, the at least one axial outlet opening 38.
  • a plurality of circumferentially distributed axial outlet openings 38 are arranged at the axial end of the outer tube 26.
  • first outer channel 36 may be formed, which leads at the lance end 15 to the at least one axial outlet opening 38.
  • at least one second outer channel 37 may be formed which leads to at least one of the radial outlet openings 41 formed in the lance end section 40.
  • FIG. 4 shows a section through the first outer channels 36
  • FIG. 5 shows a section through the second outer channels 37.
  • the first and second outer channels 36, 37 may be connected on the input side to various, independently operable supply devices or control devices.
  • the inner tube 25 projects axially beyond the outer tube 26. In this way, a certain separation of media during operation of the lance 4 for injecting the liquid fuel and for injecting the fuel gas can be achieved. This media separation can also be assisted by the injected air 31.
  • the inlet pipe 20 arranged at the burner head 14 is hollow-walled, so that it has a hollow wall 43 with an inner wall 44 and an outer wall 45.
  • the hollow-walled inlet tube 20 is here also dimensioned so that it encloses the lance 4 and the outer tube 26 to form an axially open annular channel 46. Through this annular channel 46 47 air can be injected into the burner interior according to an arrow. In this way, an effective cooling of the lance in the region of the burner head 14 can be achieved.
  • the inlet channel 21, which serves to introduce the liquid fuel according to arrows 48, is formed in the hollow wall 43 and may in particular also be designed annular. Figs. 4 and 5 show another feature.
  • a wall 49 of the mixer 3 is provided with a film cooling 50.
  • a film cooling 50 is realized for example by means of a plurality of cooling holes 51 which pass through the corresponding wall 49 and can be flowed through by coolant, which applies to the side of the wall 49 facing the burner interior 5 and thereby generates a cooling film protecting the wall 49.
  • coolant is usually air.
  • the cooling holes 51 may be set in the main flow direction of the burner 1 as shown here to enhance the formation of a cooling film.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner (1) für eine Brennkammer einer Turbogruppe, umfassend einen Drallerzeuger (2), einen Mischer (3) und eine Lanze (4) zum Einbringen von Pilotbrennstoff in einen Brennraum (10). Um die Verbrennung besser stabilisieren zu können, weist die Lanze (4) mehrere konzentrisch angeordnete Rohre (25, 26) auf, wobei ein zentrales Innenrohr (25) einen zentralen Kanal (27) für flüssigen Brennstoff enthält und am Lanzenende (15) wenigstens eine axiale Austrittsöffnung (28) aufweist, wobei ein hohlwandiges Außenrohr (26) das Innenrohr (25) unter Ausbildung eines inneren Ringkanals (30) umschließt und in seiner hohlen Wandung (33) wenigstens einen äußeren Kanal (36, 37) für gasförmigen Brennstoff enthält, wobei der innere Ringkanal (30) am Lanzenende (15) axial offen endet und zur Führung von Luft dient.

Description

Brenner für eine Brennkammer einer Turbogruppe
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für eine Brennkammer einer Turbogruppe, insbesondere in einer Kraftwerksanlage.
Stand der Technik
Derartige Brenner besitzen einen Drallerzeuger, der ein Brennerinneres eingangsseitig umschließt und der zumindest einen bezüglich einer Längsmittelachse des Brenners tangentialen Lufteinlass aufweist. Ferner umfasst ein solcher Brenner einen Mischer, der das Brennerinnere ausgangsseitig umschließt und der eine zu einem Brennraum der Brennkammer offene Auslassöffnung aufweist. Darüber hinaus kann ein solcher Brenner mit einer Lanze zum Einbringen von Pilotbrennstoff in den Brennraum ausgestattet sein. Die Lanze ist dabei koaxial zur Längsmittelachse des Brenners angeordnet und erstreckt sich von einem Brennerkopf ausgehend in das Brennerinnere hinein.
Ein bei derartigen Brennern bestehendes Problem ist die Gefahr eines Flammenrückschlags aus der Brennkammer in das Brennerinnere hinein. Derartige Flammenrückschläge sind auf Instabilitäten im Verbrennungsvorgang zurückzuführen.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Brenner der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Stabilität des Verbrennungsvorgangs im Brennraum auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Lanze aus mehreren, zueinander konzentrisch angeordneten Rohren aufzubauen, um unabhängig voneinander Luft, flüssigen Brennstoff und gasförmigen Brennstoff zuführen zu können. Durch eine derartige Ausgestaltung der Lanze, kann der jeweilige
Pilotbetrieb besser an momentane Betriebszustände der Brennkammer adaptiert werden, wodurch die Verbrennungsreaktion im Brennraum stabilisiert werden kann. Beispielsweise kann beim Starten oder Hochfahren der Brennkammer ein Pilotbetrieb mit ausschließlich flüssigem Pilotbrennstoff durchgeführt werden. Beim Übergang zum Nennbetriebszustand, bei dem in der Regel kein
Pilotbrennstoff über die Lanze zugeführt wird, kann vermehrt auch gasförmiger Pilotbrennstoff zugeführt werden. Gleichzeitig kann die Zuführung des flüssigen Pilotbrennstoffs sukzessive reduziert werden. Schließlich kann auch die Zuführung des gasförmigen Pilotbrennstoffs sukzessive reduziert werden. Ebenso ist es denkbar, die Zuführung von Pilotbrennstoff für eine kurzfristige Leistungssteigerung der Brennkammer zuzuführen, wobei auch hier in Abhängigkeit verschiedener Parameter, wie zum Beispiel Temperatur und Druck, flüssiger oder gasförmiger Pilotbrennstoff oder eine beliebige Kombination daraus eingebracht werden kann. Durch die erhöhte Variabilität der Zuführung unterschiedlicher Pilotbrennstoffe kann die Stabilität der Verbrennungsreaktion im Brennraum verbessert werden.
Die Verwendung eines inneren Ringkanals zur Zuführung von Luft ist in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. Zum einen kann mit der Luft die Lanze gekühlt werden. Zum anderen verhindert die Luft das Eindringen der Flammen in den nicht benutzten zentralen Kanal sowie in den nicht benutzten wenigstens einen äußeren Kanal, wodurch eine Spülung des jeweiligen Kanals für den Fall entbehrlich ist, dass entweder nur flüssiger Pilotbrennstoff oder nur gasförmiger Pilotbrennstoff zugeführt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Lanze so ausgestaltet sein, dass sie sich zumindest im Pilotbetrieb des Brenners soweit in das Brennerinnere hinein erstreckt, dass sich eine Flammenfront einer im Brennraum ablaufenden Verbrennungsreaktion zumindest teilweise bis in einem von einem auslassseitigen Endbereich des Mischers umschlossenen Endabschnitt des Brennerinnerens hinein erstreckt. Durch die Verlegung eines Teils der Flammenfront bis in das Brennerinnere hinein, vereinfacht sich der Pilotbetrieb aufgrund des reduzierten Abstands zwischen dem freistehenden Lanzenende und der Flammenfront. Hierdurch kann die Stabilität der Flammenfront erhöht werden. Des weiteren ist die Flammenfront zumindest in dem innerhalb des jeweiligen Brenners verlaufenden Teil weitgehend von Wechselwirkungen entkoppelt, die bei einer mit mehreren Brennern ausgestatteten Brennkammer durch die anderen Brenner über den gemeinsamen Brennraum zustande kommen. Die Reduzierung derartiger Wechselwirkungen stabilisiert die Flammenfront. Des weiteren macht diese Bauweise die Übertragung von Ergebnissen einer Mess- oder Prüfstandsanlage, die mit nur einem Brenner arbeitet, auf eine Industrieanlage einfacher, die regelmäßig mit mehreren Brennern ausgestattet ist.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Brenners ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen Brenner,
Fig. 2 eine Ansicht wie in Fig. 1 , jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
Fig. 3 eine Ansicht wie in den Fig. 1 und 2, jedoch bei ausgefahrener Lanze,
Fig. 4 eine Ansicht wie in den Fig. 1 und 2, jedoch mit einer detaillierteren Darstellung der Lanze,
Fig. 5 eine Darstellung wie in Fig. 4, jedoch bei einer anderen Ausführungsform der Lanze. Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend den Fig. 1 bis 5 umfasst ein Brenner 1 einen Drallerzeuger 2, einen Mischer 3 und eine Lanze 4. Der Brenner 1 bildet im montierten Zustand einen Bestandteil einer im übrigen hier nicht gezeigten Brennkammer einer Turbogruppe, die insbesondere in einer Kraftwerksanlage angeordnet ist.
Der Drallerzeuger 2 umschließt einen eingangsseitigen Abschnitt eines Brennerinnerens 5 und weist zumindest einen Lufteinlass 6 auf, der sich bezüglich einer Längsmittelachse 7 des Brenners 1 tangential erstreckt. Bei den gezeigten Beispielen ist der Drallerzeuger 2 kegelförmig ausgestaltet. Der jeweilige Lufteinlass 6 bildet dabei einen Längsschlitz entlang des Kegelmantels. Vorzugsweise sind mehrere derartige Lufteinlässe 6 in der Umfangsrichtung verteilt angeordnet. Hierdurch kann die Luft tangential in das Brennerinnere 5 eindringen, wodurch sie mit einem Drall beaufschlagt wird. Bei den gezeigten Beispielen weist der Drallerzeuger 2 außerdem einen Brennstoffeinlass 8 auf, über den gasförmiger Brennstoff in das Brennerinnere 5 einbringbar ist. Beispielsweise besteht dieser Brennstoffeinlass 8 aus mehreren, entlang der Mantellinie des kegelförmigen Drallerzeugers 2 verlaufenden Reihen von einzelnen Einlassöffnungen, durch die das Brennstoffgas in das Brennerinnere 5 eintreten kann. Dabei kann auch der Brennstoffeinlass 8 tangential ausgerichtet sein, um die Drallwirkung zu verstärken. Ebenso kann der Brennstoffeinlass 8 eine gewisse radiale Komponente erzeugen, um die Durchmischung mit der Luft zu verbessern.
Der Mischer 3 umschließt einen ausgangsseitigen Abschnitt des Brennerinnerens 5 und weist eine Auslassöffnung 9 auf, die zu einem Brennraum 10 der Brennkammer hin offen ist. Der Mischer 3 umfasst beispielsweise einen Rohrkörper 11 , der über ein rohrförmiges Übergangsstück 12 an den Drallerzeuger 2 angeschlossen ist und das einen Auslassflansch 13 mit der Auslassöffnung 9 trägt. Über den Auslassflansch 13 kann der Brenner 1 an die Brennkammer angeschlossen werden. Zweckmäßig ist der Mischer 3 zylindrisch geformt.
Die Lanze 4 dient zum Einbringen von Pilotbrennstoff in den Brennraum 10. Hierzu ist die Lanze 4 koaxial zur Längsmittelachse 7 angeordnet. Ferner erstreckt sich die Lanze 4 zumindest in einem Pilotbetrieb des Brenners 1 von einem Brennerkopf 14, der im wesentlichen die Spitze des kegelförmigen Drallerzeugers 2 bildet, in das Brennerinnere 5 hinein. Die Lanze 4 geht somit vom Brennerkopf 14 aus und endet mit einem Lanzenende 15 freistehend im Brennerinneren 5.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist außerdem ein Teil einer Flammenfront 16 dargestellt, die sich im Betrieb der Brennkammer durch die im Brennraum 10 ablaufende Verbrennungsreaktion ausbildet. Erkennbar ragt ein Teil dieser Flammenfront 16 in das Brennerinnere 5 hinein, und zwar in einen Endabschnitt des Brennerinnerens 5, das von einem auslassseitigen Endbereich des Mischers 3 umschlossen ist. Im gezeigten Beispiel verbleibt die Flammenfront 16 innerhalb des vom Auslassflansch 13 umschlossenen Abschnitts des Brennerinneren 5. Ein derartiger Verlauf der Flammenfront 16, bei dem ein Teil der Flammenfront 16 durch die Auslassöffnung 9 bis in das Brennerinnere 5 hineinragt, wird durch eine besondere Ausgestaltung und/oder Anordnung der Lanze 4 erreicht. Im Pilotbetrieb des Brenners 1 erstreckt sich die Lanze 4 mit ihrem freistehenden Ende 15 vergleichsweise weit in das Brennerinnere 5 hinein, nämlich soweit, dass sich ein Teil der Flammenfront 16 in das Brennerinnere 5 hinein erstreckt. Damit die Lanze 4 derart tief in das Brennerinnere 5 in Richtung Auslassöffnung 9 hineinragen kann, muss die Lanze 4 entsprechend ausgestaltet sein, damit sie die hierfür erforderlich axiale Länge aufweist. Bei den in den Fig. 1 , 2, 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen ist die Lanze 4 im Brenner 1 so positioniert, dass sich ihr freistehendes Ende 15 in einem vom Mischer 3 umschlossenen Abschnitt des Brennerinnerens 5 befindet. Mit anderen Worten, die Lanze 4 erstreckt sich bis in den Mischer 3 hinein. Dabei kann sich die Lanze 4 mit ihrem freistehenden Ende 15 in axialer Richtung bis etwa zur Hälfte des Mischers 3 oder sogar darüber hinaus in den Mischer 3 hinein erstrecken. Beispielsweise ist ein in Fig. 2 eingetragener Abstand 17, den das freistehende Lanzenende 15 von der Auslassöffnung 9 aufweist, größer als 25 % oder kleiner als 50 % eines Abstands 18, den ein auslassseitiges Ende 19 des Drallerzeugers 2 von der Auslassöffnung 9 besitzt. Vorzugsweise liegt der Abstand 17 zwischen Auslassöffnung 9 und Lanzenende 15 in einem Bereich von 25 % bis 50 % des zwischen Auslassöffnung 9 und auslassseitigem Ende 19 herrschenden Abstands 18.
Gemäß Fig. 2 kann am Brennerkopf 14 ein Einlassrohr 20 angeordnet sein, das sich koaxial zur Lanze 4 erstreckt. Dieses Einlassrohr 20 ragt dabei in axialer Richtung in einen vom Drallerzeuger 2 umschlossenen Abschnitt des Brennerinnerens 5 hinein. Dieses Einlassrohr 20 kann einen ringförmigen
Einlasskanal 21 für flüssigen Brennstoff ausbilden. Der Einlasskanal 21 weist wenigstens eine axial orientierte Austrittsöffnung 22 auf. Durch diese wenigstens eine axiale Austrittsöffnung 22 kann der Flüssigbrennstoff entsprechend Pfeilen 48 im wesentlichen in axialer Richtung in das Brennerinnere 5 eintreten. Der Brenner 1 kann somit mit Brennstoffgas und/oder mit Flüssigbrennstoff betrieben werden. Vorzugsweise sind mehrere derartige axiale Austrittsöffnungen 22 an den im Brennerinneren 5 endenden Ende des Einlassrohrs 20 angeordnet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Lanze 4 in axialer Richtung verstellbar am Brennerkopf 14 angeordnet sein. Somit ist die axiale Position des freistehenden Lanzenendes 15 innerhalb des Brennerinnerens 5 einstellbar. Insbesondere lässt sich dadurch die Position des in das Brennerinnere 5 hineinragenden Teils der Flammenfront 16 einstellen. Mit Hilfe der längsverstellbaren Lanze 4 kann der Brenner 1 an Betriebsparameter der Brennkammer adaptiert werden, was eine Stabilisierung des Verbrennungsprozesses ermöglicht. Die Lanze 4 lässt sich somit bedarfsabhängig mehr oder weniger tief in das Brennerinnere 5 einfahren beziehungsweise mehr oder weniger weit aus dem Brennerinneren 5 ausfahren. Fig. 3 zeigt eine Situation, bei welcher die Lanze 4 weitgehend aus dem Brennerinneren 5 ausgefahren ist. Zweckmäßig endet das Lanzenende 15 dann an der dem Brennerinneren 5 zugewandten Innenseite des Brennerkopfs 14. In Fig. 3 ist zur vereinfachten Darstellung die Lanze 4 vollständig ausgefahren. Sie kann entsprechend einem Pfeil 23 wieder in das Brennerinnere 5 eingefahren werden. Bei der in Fig. 3 gezeigten Konfiguration ist die Flammenfront 16 vollständig außerhalb des Brennerinnerens 5 angeordnet und sie befindet sich bezüglich der Strömungsrichtung des Brenners 1 stromab der Auslassöffnung 9.
In Fig. 3 ist vereinfacht ein Geschwindigkeitsprofil 24 dargestellt, das die
Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit entlang des Querschnitts des Brenners 1 innerhalb des Mischers 3 repräsentiert. Erkennbar besitzt die Strömung bei fehlender Lanze 4 im Zentrum ein signifikantes Maximum. Durch Einfahren der Lanze 4 bis in den beschriebenen Bereich innerhalb des Mischers 3 wird zwangsläufig die Strömungsgeschwindigkeit im Zentrum des Querschnitts des Mischers 3 reduziert. Gleichzeitig wird dadurch außerhalb der Lanze 4, also im Randbereich des Querschnitts, die Geschwindigkeit entsprechend erhöht, um einen konstanten Volumenstrom zu gewährleisten. Die Reduzierung der zentralen Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht es der Flammenfront 16 stromauf zu wandern. Bei entsprechender Positionierung und Ausgestaltung der Lanze 4 ragt die Flammenfront 16 teilweise in das Brennerinnere 5 hinein, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.
In den Fig. 4 und 5 ist die Lanze 4 ebenfalls geschnitten dargestellt. Die nachfolgende Detailbeschreibung der Lanze 4 gilt dabei insbesondere auch für die Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3.
Entsprechend den Fig. 4 und 5 weist die Lanze 4 mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Rohre auf, nämlich ein zentrales Innenrohr 25 und ein Außenrohr 26. Das Innenrohr 25 enthält einen zentralen Kanal 27 und weist zumindest am freistehenden Lanzenende 15 angeordnete axial orientierte Austrittsöffnung 28 auf. Der zentrale Kanal 27 dient zur Zuführung von flüssigem Brennstoff zur wenigstens einen Austrittsöffnung 28. Im Beispiel ist das Innenrohr 25 im Bereich der Austrittsöffnung 28 mit einer düsenförmigen
Querschnittsverengung 29 ausgestattet, was die Ausbildung eines intensiven Flüssigkeitsstrahls ermöglicht. Dieser flüssige Brennstoffstrahl ist in den Fig. 4 und 5 durch einen Pfeil 32 angedeutet. Das Außenrohr 26 ist so bemessen, dass es das Innenrohr 25 unter Ausbildung eines inneren Ringkanals 30 umschließt. Dieser innere Ringkanal 30 ist am Lanzenende 15 axial offen und mündet somit in das Brennerinnere 5. Der innere Ringkanal 30 dient zur Führung von Luft, die entsprechend einem Pfeil 31 in axialer Richtung aus dem inneren Ringkanal 30 austreten kann.
Das Außenrohr 26 ist hohlwandig ausgestaltet, das heißt, das Außenrohr 26 besitzt eine hohle Wandung 33 mit einer Innenwand 34 und einer dazu radial beabstandeten Außenwand 35. In der hohlen Wandung 33 enthält das Außenrohr 26 zumindest einen äußeren Kanal 36 (Fig. 4) beziehungsweise 37 (Fig. 5). Dieser wenigstens eine äußere Kanal 36, 37 dient zur Zuführung von gasförmigen Brennstoff. Der äußere Kanal 36, 37 kann als Ringkanal ausgestaltet sein, der einfach zwischen den beiden Wänden 34, 35 der Wandung 33 ausgebildet ist. Dieser äußere Ringkanal 36 beziehungsweise 37 kann gemäß Fig. 4 zumindest eine axial orientierte Austrittsöffnung 38 am Lanzenende 15 aufweisen, wodurch sich eine im wesentlichen axial orientierte Eindüsung von Brennstoffgas entsprechend einem Pfeil 39 erzielen lässt. Zusätzlich oder alternativ kann in einem in Fig. 5 mit einer geschweiften Klammer gekennzeichneten Lanzenendabschnitt 40, der das freistehende Lanzenende 15 aufweist, eine Anordnung von mehreren radialen Austrittsöffnungen 41 vorgesehen sein. Diese radialen Austrittsöffnungen 41 sind vorzugsweise in der Außenwand 35 der hohlen Wandung 33 des Außenrohrs 26 ausgebildet. Hierdurch kann eine im wesentlichen radial orientierte Eindüsung des Brennstoffgases ins Brennerinnere 5 realisiert werden. Der so radial eingedüste gasförmige Brennstoff wird dabei entsprechend Pfeilen 42 aufgrund der herrschenden axialen Strömung im Brennerinneren in die Axialrichtung umgelenkt.
Um bei einem äußeren Ringkanal 36 beziehungsweise 37 die axiale Eindüsung 39 und die radiale Eindüsung 42 wahlweise realisieren zu können, kann eine entsprechende Steuerung vorgesehen sein, die beispielsweise mit einem hülsenförmigen Steuerelement arbeitet, das sich in einer ersten Stellung vor die radialen Austrittsöffnungen 41 legt, während es in einer zweiten Stellung die wenigstens eine axiale Austrittsöffnung 38 sperrt. Vorzugsweise sind dabei mehrere, in Umfangsrichtung verteilt angeordnete axiale Austrittsöffnungen 38 am axialen Ende des Außenrohrs 26 angeordnet.
Alternativ dazu kann in der hohlen Wandung 33 zumindest ein erster äußerer Kanal 36 ausgebildet sein, der am Lanzenende 15 zu der wenigstens einen axialen Austrittsöffnung 38 führt. Zusätzlich dazu kann in der hohlen Wandung 33 zumindest ein zweiter äußerer Kanal 37 ausgebildet sein, der zu wenigstens einer der im Lanzenendabschnitt 40 ausgebildeten radialen Austrittsöffnungen 41 führt. Fig. 4 zeigt dabei beispielsweise einen Schnitt durch die ersten äußeren Kanäle 36, während Fig. 5 einen Schnitt durch die zweiten äußeren Kanäle 37 zeigt. Die ersten und zweiten äußeren Kanäle 36, 37 können eingangsseitig an verschiedene, unabhängig voneinander betätigbare Versorgungseinrichtungen oder Steuereinrichtungen angeschlossen sein. Hierdurch ist es möglich, die Einbringung des gasförmigen Brennstoffs wahlweise nur durch die wenigstens eine axiale Austrittsöffnung 38 oder nur durch die wenigstens eine radiale Austrittsöffnung 41 oder sowohl durch die wenigstens eine axiale Austrittsöffnung 38 als auch durch die wenigstens eine radiale Austrittsöffnung 41 einzubringen.
Bei den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen ragt das Innenrohr 25 axial über das Außenrohr 26 vor. Hierdurch kann eine gewisse Medientrennung beim Betrieb der Lanze 4 zum Einspritzen des Flüssigbrennstoffs und zum Eindüsen des Brennstoffgases erzielt werden. Diese Medientrennung kann außerdem durch die eingeblasene Luft 31 unterstützt werden.
Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist außerdem das am Brennerkopf 14 angeordnete Einlassrohr 20 hohlwandig ausgestaltet, so dass es eine hohle Wandung 43 mit einer Innenwand 44 und einer Außenwand 45 besitzt. Das hohlwandige Einlassrohr 20 ist hier außerdem so dimensioniert, dass es die Lanze 4 bzw. das Außenrohr 26 unter Ausbildung eines axial offenen Ringkanals 46 umschließt. Durch diesen Ringkanal 46 kann entsprechend einem Pfeil 47 Luft in das Brennerinnere eingeblasen werden. Hierdurch kann eine effektive Kühlung der Lanze im Bereich des Brennerkopfs 14 erzielt werden. Der Einlasskanal 21 , der zum Einbringen des flüssigen Brennstoffs entsprechend Pfeilen 48 dient, ist dabei in der hohlen Wandung 43 ausgebildet und kann insbesondere ebenfalls ringförmig ausgestaltet sein. Die Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere Besonderheit. Bei den diesen Ausführungsformen ist eine Wandung 49 des Mischers 3 mit einer Filmkühlung 50 ausgestattet. Eine derartige Filmkühlung 50 wird beispielsweise mittels mehrerer Kühlbohrungen 51 realisiert, welche die entsprechende Wandung 49 durchsetzen und von Kühlmittel durchströmbar sind, das sich an der dem Brennerinneren 5 zugewandten Seite der Wandung 49 anlegt und dadurch einen die Wandung 49 schützenden Kühlfilm generiert. Als Kühlmittel dient in der Regel Luft. Die Kühlbohrungen 51 können wie hier gezeigt in der Hauptströmungsrichtung des Brenners 1 angestellt sein, um die Ausbildung eines Kühlfilms zu verbessern.
Bezugszeichenliste
1 Brenner
2 Drallerzeuger
3 Mischer
4 Lanze
5 Brennerinneres
6 Lufteinlass
7 Längsmittelachse
8 Brenngaseinlass
9 Auslassöffnung
10 Brennraum
1 1 Rohrkörper
12 Übergangsstück
13 Auslassflansch
14 Brennerkopf
15 freistehendes Lanzenende
16 Flammenfront
17 Abstand zwischen 9 und 4
18 Abstand zwischen 9 und 19
19 abströmseitiges Ende von 2
20 Einlassrohr
21 Einlasskanal
22 Einlassöffnung
23 Einfahrbewegung von 4 24 Geschwindigkeitsprofil
25 Innenrohr
26 Außenrohr
27 zentraler Kanal
28 Austrittsöffnung
29 Düse
30 innerer Ringkanal
31 Luftströmung
32 Flüssigbrennstoffströmung
33 hohle Wandung
34 Innenwand
35 Außenwand
36 (erster) äußerer Kanal
37 (zweiter) äußerer Kanal
38 axiale Austrittsöffnung
39 Brenngasströmung
40 Lanzenendabschnitt
41 radiale Austrittsöffnung
42 Brenngasströmung
43 hohle Wandung
44 Innenwand
45 Außenwand
46 Ringkanal
47 Luftströmung
48 Flüssigbrennstoffströmung
49 Wandung von 3
50 Filmkühlung
51 Kühlbohrung

Claims

Patentansprüche
1. Brenner für eine Brennkammer einer Turbogruppe, - mit einem Drallerzeuger (2), der ein Brennerinneres (5) eingangsseitig umschließt und der zumindest einen bezüglich einer Längsmittelachse (7) des Brenners (1 ) tangentialen Lufteinlass (6) aufweist, mit einem Mischer (3), der das Brennerinnere (5) ausgangsseitig umschließt und der eine zu einem Brennraum (10) der Brennkammer offene Auslassöffnung (9) aufweist, mit einer Lanze (4) zum Einbringen von Pilotbrennstoff in den Brennraum (10), die koaxial zur Längsmittelachse (7) des Brenners (1 ) angeordnet ist und sich zumindest in einem Pilotbetrieb des Brenners (1 ) mit einem Lanzenende (15) von einem Brennerkopf (14) ausgehend in das Brennerinnere (5) hinein freistehend erstreckt, wobei die Lanze (4) mehrere konzentrisch angeordnete Rohre (25, 26) aufweist, wobei ein zentrales Innenrohr (25) einen zentralen Kanal (27) für flüssigen
Brennstoff enthält und am Lanzenende (15) wenigstens eine axiale Austrittsöffnung (28) aufweist, wobei ein hohlwandiges Außenrohr (26) das Innenrohr (25) unter Ausbildung eines inneren Ringkanals (30) umschließt und in seiner hohlen Wandung (33) wenigstens einen äußeren Kanal (36, 37) für gasförmigen Brennstoff enthält, - wobei der innere Ringkanal (30) am Lanzenende (15) axial offen endet und zur Führung von Luft dient.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Kanal (36, 37) in der hohlen Wandung (33) des Außenrohrs (26) als Ringkanal ausgestaltet ist, der am Lanzenende (15) wenigstens eine axiale Austrittsöffnung (28) aufweist und/oder in einem das Lanzenende (15) aufweisenden Lanzenendabschnitt (40) mehrere radiale Austrittsöffnungen (41) aufweist.
3. Brenner nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der hohlen Wandung (33) des Außenrohrs (26) zumindest ein (erster) äußerer Kanal (36) ausgebildet ist, der am Lanzenende (15) wenigstens eine axiale Austrittsöffnung (28) aufweist, und/oder - dass in der hohlen Wandung (33) des Außenrohrs (26) zumindest ein
(zweiter) äußerer Kanal (37) ausgebildet ist, der in einem das Lanzenende (15) aufweisenden Lanzenendabschnitt (40) mehrere radiale Austrittsöffnungen (41) aufweist.
4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (25) axial über das Außenrohr (26) vorsteht.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Brennerkopf (14) ein Einlassrohr (20) angeordnet ist, das koaxial zur Lanze (4) in den vom Drallerzeuger (2) umschlossenen Abschnitt des Brennerinneren (5) hineinragt und das einen ringförmigen Einlasskanal (21) für flüssigen Brennstoff ausbildet, der wenigstens eine axiale Austrittsöffnung (22) aufweist.
6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassrohr (20) hohlwandig ausgestaltet ist, dass das Einlassrohr (20) die Lanze (4) unter Ausbildung eines axial offenen Ringkanals (46) für Luft umschließt, dass der Einlasskanal (21) in der hohlen Wandung (43) des Einlassrohrs (20) ausgebildet ist.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung (49) des Mischers (3) mit Filmkühlung (50) ausgestattet ist.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (4) so ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass sie sich zumindest im Pilotbetrieb des Brenners (1) so weit in das Brennerinnere (5) hineinerstreckt, dass sich eine Flammenfront (16) einer im Brennraum (10) ablaufenden Verbrennungsreaktion zumindest teilweise bis in einen von einem auslassseitigen Endbereich des Mischers (3) umschlossenen Endabschnitt des Brennerinneren (5) hineinerstreckt.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (4) zumindest im Pilotbetrieb des Brenners (1) mit ihrem auslassseitigen Ende (15) in einem vom Mischer (3) umschlossenen Abschnitt des Brennerinneren (5) angeordnet ist, wobei insbesondere ein Abstand (17) des Lanzenendes (15) von der Auslassöffnung (9) größer als 25 % oder kleiner als 50 % des Abstands (18) sein kann, den ein auslassseitiges Ende (19) des Drallerzeugers (2) von der Auslassöffnung (9) aufweist.
10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze (4) längsverstellbar am Brennerkopf (14) angeordnet ist, so dass sie bedarfsabhängig mehr oder weniger tief in das Brennerinnere (5) einfahrbar und daraus mehr oder weniger weit ausfahrbar ist.
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