DE10157856A1

DE10157856A1 - Slim premix burner for gas turbine has part of burner wall may be electrically heated

Info

Publication number: DE10157856A1
Application number: DE10157856A
Authority: DE
Inventors: Ralf Sebastian Vonderbank; Matthijs Woude; Miklos Gerendas
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2003-07-17

Abstract

The burner has an axis (17) at an angle to the turbine axis (16) and has a burner chamber housing (10,14) and a burner wall (11,13) injecting hot gas into the turbine wheel (12). A compressor directs air through a diffuser (9) and fuel is injected and ignited within a volume (15).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für eine Gasturbine. The invention relates to a burner for a Gas turbine.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass bei Gasturbinen zur Verringerung von Schadstoffen sogenannte "Magervormischbrenner" eingeführt werden. Bei extrem magerer Verbrennung ergibt sich die Schwierigkeit, dass das Zünden der Brennkammern nur bei relativ fetter, nahezu stöchiometrischer Luft- Brennstoff-Mischung und vorgeheizter Verbrennungsluft möglich ist. Die Vorheizung muss beispielsweise auf Werte über 650 K erfolgen. It is known from the prior art that for gas turbines so-called to reduce pollutants "Lean premix burners" are introduced. With extremely lean combustion the difficulty arises that the ignition of the Combustion chambers only with relatively rich, almost stoichiometric air Fuel mixture and preheated combustion air is possible. For example, the preheating must be above values 650 K take place.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Gasturbinen ist es nicht möglich, derartige LPP-Module (Magervormischbrenner) ohne Sondermaßnahmen zu zünden oder anzufahren, weder bei Flugtriebwerken noch bei Industriegasturbinen. In the gas turbines known from the prior art it is not possible to use such LPP modules (Lean premix burner) without igniting or starting up, neither for aircraft engines or industrial gas turbines.

Der Grund hierfür liegt darin, dass sich der Brennstoffnebel im Falle von geringer Lufttemperatur und geringem Luftdruck nur sehr schlecht verdampfen lässt, sodass, wie bereits erwähnt, ein fettes Gemisch erzeugt werden muss, um das Luft- Brennstoff-Gemisch überhaupt zünden zu können und um nach dem Zünden eine stabil brennende Flamme zu erhalten. The reason for this is that the fuel mist in the case of low air temperature and low air pressure evaporates very poorly, so, as already mentioned, a rich mixture has to be generated in order to To be able to ignite the fuel mixture at all and after to get a stable burning flame after ignition.

Es erweist sich als ungünstig, dass sich ein Großteil des eingedüsten Brennstoffs während des Zünd- oder Anfahrvorganges in flüssiger Form auf die kalten Innenseiten der Flammrohre oder der Brennkammer ablagert. Dort verdampft der Brennstoff relativ langsam. Sobald ein zündfähiges Gemisch vorliegt, kann eine Zündung erfolgen. Hierbei kommt es zu einer raschen Verpuffung im Gasgemisch mit - je nach Flammrohrbauart - sich schnell ausbreitender Flamme. Begleitet wird dieser Vorgang von einer Druckwelle, die auch akkustisch außerhalb der Brennkammer wahrnehmbar sein kann. It turns out to be unfavorable that a large part of the injected fuel during ignition or Starting process in liquid form on the cold inside of the Flame tubes or the combustion chamber deposits. It evaporates there Fuel relatively slow. Once an ignitable mixture ignition can occur. This happens a rapid deflagration in the gas mixture with - depending on Flame tube design - rapidly spreading flame. accompanied this process is from a blast that also can be perceived acoustically outside the combustion chamber.

Diese impulshafte Druckwelle wirkt dem Brennstoffpumpendruck entgegen. Durch den kurzzeitig wirkenden erhöhten Gegendruck wird somit die Brennstoffzufuhr reduziert. Dies führt zu einer Abmagerung des Gemisches sowie zu einem sinkenden Brennkammerdruck, bis sich der Brennstoffeintrag wieder erhöht hat. Durch die mehrmalige Wiederholung dieses Prozesses ergibt sich eine abklingende Druckschwingung hoher Anfangsamplitude. This impulsive pressure wave affects the fuel pump pressure opposite. Due to the short-term increased back pressure the fuel supply is thus reduced. this leads to a thinning of the mixture as well as a sinking Combustion chamber pressure until the fuel input increases again Has. By repeating this process several times there is a decaying pressure oscillation high Initial amplitude.

Beim Stand der Technik ist es deshalb bekannt, bei mager vorgemischten Brennern (LPP) zusätzlich Stütz- oder Zündbrenner (Pilot-Brenner) zu verwenden. Diese Stütz- und/oder Zündbrenner werden dabei entweder in den Vormischbrenner integriert oder aber separat in einer sogenannten gestuften Brennkammer angeordnet. In the prior art it is therefore known to be lean premixed burners (LPP) additional support or Pilot burner to be used. This support and / or Pilot burners are either in the premix burner integrated or separately in a so-called stepped Combustion chamber arranged.

Der Nachteil derartiger gestufter Brennkammern besteht darin, dass diese geometrisch komplex ausgebildet sind, dass ein hoher Fertigungsaufwand erforderlich ist und dass sich eine sehr große zu kühlende Gesamtoberfläche der Brennkammerwandung ergibt. Es liegt somit bei den bekannten Konstruktionen stets eine Kombination zweier unterschiedlicher Brennertypen in einer Brennkammer vor. The disadvantage of such stepped combustion chambers is in that they are geometrically complex, that a high manufacturing effort is required and that a very large total surface to be cooled Combustion chamber wall results. It is therefore with the known Always a combination of two different constructions Burner types in a combustion chamber.

Ein weiterer, wesentlicher Nachteil besteht in der akkustischen Wahrnehmbarkeit der Druckwellen beim Zünden und Anfahren der Module. Es ergibt sich somit ein unerwünschter akkustischer Vorgang. Another major disadvantage is that acoustic perceptibility of pressure waves during ignition and Starting up the modules. The result is an undesirable one acoustic process.

Ein weiterer Nachteil der auftretenden stoßartigen Druckbelastungen beim Zünden liegt in einer Reduzierung der Bauteil-Lebensdauer, da diese Bauteile zusätzlichen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Another disadvantage of the jerky occurring Pressure loads during ignition are reduced Component lifespan because these components are additional are exposed to mechanical loads.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Brenner für eine Gasturbine zu schaffen, welche bei Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile die Zündung und das Anfahren bei extrem magerer Verbrennung ohne zusätzliche Stütz- oder Zündbrenner ermöglicht. The invention is based, a burner for the task to create a gas turbine which, while avoiding the the known disadvantages of ignition and starting with extremely lean combustion without additional Support or pilot burner enabled.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. According to the invention, the object is achieved by Combination of features of the main claim solved, the sub-claims show further advantageous embodiments of the invention.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass in den Brenner eine Zündhilfe integriert ist. According to the invention it is thus provided that in the burner an ignition aid is integrated.

Diese Zündhilfe kann gemäß der Merkmalskombination des Anspruchs 1 in Form einer elektrischen Heizung ausgebildet sein. This ignition aid can according to the combination of features of the Claim 1 in the form of an electric heater his.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass zumindest die beim Zünden und Anfahren mit flüssigem Brennstoff benetzten Gehäusebereiche des Magervormischbrenners (LPP) entsprechend vorgeheizt werden können. According to the invention it is therefore provided that at least the Wet with liquid fuel when igniting and starting Housing areas of the lean premix burner (LPP) accordingly can be preheated.

Die Vorheizung kann erfindungsgemäß an der Außenseite des Brenners oder an deren Innenseite erfolgen. Weiterhin ist es möglich, die elektrische Beheizung in unterschiedlichster Weise auszuführenden, beispielsweise mittels Heizfolien oder Heizdrähten oder durch Ausführung dieses entsprechenden Gehäusebereichs als Heizelement (Heizstahl). Im letzteren Fall kann eine keramische Isolierung sowie eine Trenn-Nut vorgesehens ein. According to the invention, the preheating can be carried out on the outside of the Brenners or on the inside. Furthermore it is possible, the electric heating in different To be carried out, for example by means of heating foils or Heating wires or by executing this corresponding Housing area as a heating element (hot steel). In the latter case can have ceramic insulation as well as a separation groove be provided.

Die elektrische Heizung wird optimaler Weise so ausgelegt, dass die Brennstoffmenge, die zum Zünden benötigt wird, möglichst vollständig, aber mindestens so weit verdampft wird, dass die gewünschte Verbesserung im Zündverhalten erreicht wird. The electric heater is optimally designed so that the amount of fuel needed to ignite is evaporated as completely as possible, but at least as far, that the desired improvement in ignition behavior is achieved becomes.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass am Austritt des Luftkanals des Brenners ein Flammkranz integriert ist. Dieser Flammkranz des Magervormischbrenners wird ausschließlich zum Zünden und bis in den Anfahrprozess hinein betrieben. Erfindungsgemäß kann als Brennstoff entweder ein handelsübliches Brenngas (beispielsweise bei Industriegasturbinen) oder Flüssigbrennstoff, der in einem separaten, elektrisch betriebenen Kleingaserzeuger verdampft wurde. In a further embodiment of the invention provided that at the outlet of the air duct of the burner Flame ring is integrated. This wreath of flame Lean premix burner is used exclusively for ignition and up to Start-up process operated. According to the invention can as Fuel is either a commercially available fuel gas (for example in industrial gas turbines) or liquid fuel, the in a separate, electrically operated small gas generator was evaporated.

Der zusätzliche Flammkranz führt zu einer Erhöhung der Prozesstemperatur sowie zu einem besseren Verdampfen des Magergemisches. The additional flame ring leads to an increase in Process temperature and for a better evaporation of the Lean mixture.

Erfindungsgemäß ist es selbstverständlich auch möglich, beide Maßnahmen zu kombinieren. Dabei wird zum Zünden mindestens 30% der Brennstoffmenge über den Flammkranz geführt. Bei einer Erhöhung des Gesamtbrennstoffeintrags wird die Leistung des Flammkranzes derart eingestellt, dass die Flammenstabilität erhalten bzw. gefördert wird. Ab einer vorgegebenen Mindestlast, die sich bei sicherer Feuerführung in der Brennkammer über die Vormischmagerbrenner ergibt, wird die Leistung des Flammkranzes zurückgefahren und abgestellt. According to the invention it is of course also possible to combine both measures. This turns into ignition at least 30% of the amount of fuel passed over the flame ring. If the total fuel input increases, the Performance of the flame ring set such that the Flame stability is maintained or promoted. From one specified minimum load, which is in safe fire control results in the combustion chamber via the premix lean burners the performance of the flame ring reduced and switched off.

Erfindungsgemäß wird somit erreicht, dass sich der Magervormischbrenner der erfindungsgemäßen Brennkammer ohne zusätzliche, separat oder integral angeordnete Zünd- und Stützbrenner bei üblichen Zünd- und Anfahrbedingungen aus kaltem Zustand zünden und anfahren lässt. It is thus achieved according to the invention that the Lean premix burner of the combustion chamber according to the invention without additional, separately or integrally arranged ignition and Back-up burner with usual ignition and start-up conditions from cold Ignite condition and start.

Die erfindungsgemäße Lösung kann auch bei laufender Brennkammer eingesetzt werden, beispielsweise bei schwierigen Bedingungen, um den Betriebsbereich der Magervormischbrenner sicher in den Schwachlastbereich hinein zu erweitern und die Sicherheit gegen ein Verlöschen der Flamme zu steigern. Diese Maßnahme kann beispielsweise beim Landen von Flugzeugen mit Strahltriebwerken ergriffen werden. The solution according to the invention can also be run Combustion chamber can be used, for example in difficult Conditions to the operating range of the lean premix burner to safely expand into the low load range and the Increase security against the flame going out. This measure can be used, for example, when aircraft land be taken with jet engines.

Erfindungsgemäß ergibt sich somit eine erhebliche Reduzierung der Zünddruckschwankungen, diese können gegebenenfalls vollständig vermieden werden, da bereits vor der Modulzündung eine stationäre Flamme vorhanden ist und/oder da ein aufbereitetes Gasgemisch anstelle eines Brennstoffnebels gezündet wird. According to the invention, this results in a considerable amount Reduction of the ignition pressure fluctuations, these can if necessary be completely avoided, since before the Module ignition, a stationary flame is present and / or there processed gas mixture instead of a fuel mist is ignited.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigen: The invention is described below with reference to Exemplary embodiments described in connection with the drawing. there demonstrate:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Brennkammer unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Brenners, Fig. 1 is a schematic representation of a side view of a combustion chamber using a burner according to the invention,

Fig. 2 eine schematische Seiten-Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Magervormischbrenner für eine Gasturbine mit einer Gehäusebeheizung des Brenners durch Eigenwiderstand, Fig. 2 is a schematic side sectional view through an inventive lean premix burner for a gas turbine with a casing of the burner by heating intrinsic resistance

Fig. 3 eine Ansicht, analog Fig. 1, mit einem Ausführungsbeispiel, bei welchem die strömungsabgewandte Seite des Gehäuses des Brenners durch Heizdraht oder Heizfolie beheizt wird, und Fig. 3 is a view, analogous to FIG. 1, with an embodiment in which the side of the burner housing facing away from the flow is heated by heating wire or heating foil, and

Fig. 4 eine Ansicht analog den Fig. 1 oder 2, bei welchen die Strömungsoberfläche des Brenners durch eine Heizfolie beheizt wird. Fig. 4 is a view analogous to Fig. 1 or 2, in which the flow surface of the burner is heated by a heating foil.

Auf die Beschreibung von Nebenaggregaten und ähnlichem kann an dieser Stelle verzichtet werden, da diese aus dem Stand der Technik bekannt sind. On the description of auxiliary units and the like can be dispensed with at this point, as these are from a standing start are known in the art.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Seiten-Teilansicht eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Brennkammer mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Brenner. Zunächst ist mit dem Bezugszeichen 16 die Achse oder Mittellinie einer Gasturbine angegeben, während das Bezugszeichen 17 sich auf die Achse des Brenners bezieht. Die Fig. 1 zeigt ein äußeres Brennkammergehäuse 14, dem ein inneres Brennkammergehäuse 10 zugeordnet ist. In dem Brennkammergehäuse befindet sich die eigentliche Brennkammer, deren innere Brennkammerwand das Bezugszeichen 11 trägt, während die äußere Brennkammerwand mit 13 bezeichnet ist. Am Auslauf der Brennkammer ist schematisch ein Turbinenleitrad 12 dargestellt. Weiterhin zeigt die Fig. 1 einen Diffusor (Auslastdiffusor des Verdichters) 9. Der Magervormischbrenner, der erfindungsgemäß mit einer Zündhilfe ausgebildet ist, ist durch den Kreis mit der Bezugsziffer 15 markiert. Fig. 1 shows a schematic side view of a simplified representation of a combustion chamber designed according to the invention with a burner designed according to the invention. First, the reference number 16 indicates the axis or center line of a gas turbine, while reference number 17 refers to the axis of the burner. Fig. 1 shows an outer combustor casing 14, which an inner combustion chamber housing 10 is associated. The actual combustion chamber is located in the combustion chamber housing, the inner combustion chamber wall of which bears the reference number 11 , while the outer combustion chamber wall is designated by 13. A turbine stator 12 is shown schematically at the outlet of the combustion chamber. Furthermore, the Fig. 1 shows a diffuser (Auslastdiffusor of the compressor). 9 The lean premix burner, which is designed according to the invention with an ignition aid, is marked by the circle with the reference number 15 .

Erfindungsgemäß ist eine Wand des Magervormischbrenners 1 mit einer im Einzelnen nicht detailliert dargestellten Heizung versehen. According to the invention, a wall of the lean premix burner 1 is provided with a heater, which is not shown in detail.

Es kann, wie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt, eine Gehäusebeheizung (Beheizung der Brennerwand 1) durch Eigenwiderstand des Materials erfolgen. In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem die strömungsabgewandte Seite der Brennerwand 1 mittels Heizdraht oder Heizfolie beheizt wird. Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Beheizung der Strömungsoberfläche der Brennerwand 1 durch eine zum Innenraum weisende Heizfolie oder Ähnliches erfolgt. As shown in FIG. 2, for example, heating of the housing (heating of the burner wall 1 ) can take place through the inherent resistance of the material. FIG. 3 shows an embodiment in which the side of the burner wall 1 facing away from the flow is heated by means of a heating wire or heating foil. FIG. 4 shows an exemplary embodiment in which the flow surface of the burner wall 1 is heated by a heating foil or the like pointing towards the interior.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen zusätzlich im Einzelnen jeweils einen Strömungsteiler 2 sowie zugeordnete Drallerzeuger 3. Wie ersichtlich ist, kann auch der Strömungsteiler 2 an seinem in den Innenraum weisenden Verlängerungsbereich entsprechend beheizt werden, so wie dies schematisch in den Fig. 2 bis 4 dargestellt ist. FIGS. 2 to 4 additionally each show a flow divider 2 and associated swirl generators 3 in detail. As can be seen, the flow divider 2 can also be heated appropriately at its extension area pointing into the interior, as is shown schematically in FIGS. 2 to 4.

Die Figuren zeigen weiterhin in schematischer Weise eine Kraftstoffzuführleitung 4, welche durch entsprechende Auslässe in den Innenraum des Brenners mündet. Mit dem Bezugszeichen 5 ist ein Innengehäuse bezeichnet. Das Bezugszeichen 6 beschreibt eine Brenngasrundleitung (Flammkranzrohr), welche ebenfalls über entsprechende Öffnungen mit dem Auslassbereich des Brenners verbunden ist, um auf diese Weise einen Flammkranz zu bilden. Die einzelnen Auslassröhrchen sind jeweils kranzförmig angeordnet. An ihrem Auslassbereich ist in schematischer Darstellung ein Zünddraht 8 dargestellt, der zur Zündung des durch die Brenngasrundleitung 6 bzw. durch deren Auslassröhrchen 7 ausströmenden Brenngases dient. The figures also schematically show a fuel supply line 4 which opens into the interior of the burner through corresponding outlets. Reference number 5 denotes an inner housing. The reference numeral 6 describes a round fuel gas line (flame ring tube), which is likewise connected to the outlet area of the burner via corresponding openings, in order to form a flame ring in this way. The individual outlet tubes are each arranged in a ring shape. At its outlet area, an ignition wire 8 is shown in schematic representation, which is used to ignite the fuel gas flowing out through the fuel gas round line 6 or through its outlet tube 7 .

Im Auslaufbereich des Brenners sind somit eine Vielzahl von Flammaustrittsöffnungen (Auslassröhrchen 7) vorgesehen, welche über ein Flammkranzrohr (Brenngasrundleitung 6) mit Brennstoff und/oder einem zündfähigen Gemisch versorgt werden. A plurality of flame outlet openings (outlet tubes 7 ) are thus provided in the outlet area of the burner and are supplied with fuel and / or an ignitable mixture via a flame ring tube (fuel gas round line 6 ).

Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, vielmehr ergeben sich im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten. Bezugszeichenliste 1 Brennerwandung
2 Strömungsteiler
3 Drallerzeuger
4 Kraftstoffzuführleitung
5 Innengehäuse
6 Brenngasrundleitung
7 Auslassröhrchen
8 Zünddraht
9 Diffusor, Auslaßdiffusor des Verdichters
10 Inneres Brennkammergehäuse
11 Innere Brennkammerwand
12 Turbinenleitrad
13 Äußere Brennkammerwand
14 Äußeres Brennkammergehäuse
15 Magervormischbrenner mit Zündhilfe
16 Achse der Gasturbine
17 Achse des Brenners
The invention is not limited to the exemplary embodiment shown, but there are many possible modifications and modifications within the scope of the invention. LIST OF REFERENCES 1 Brennerwandung
2 flow dividers
3 swirl generator
4 fuel supply line
5 inner housing
6 Round fuel gas line
7 outlet tubes
8 ignition wire
9 Diffuser, compressor outlet diffuser
10 Inner combustion chamber housing
11 Inner combustion chamber wall
12 turbine stator
13 Outer combustion chamber wall
14 External combustion chamber housing
15 lean premix burners with ignition aid
16 axis of the gas turbine
17 axis of the burner

Claims

1. Burner for a gas turbine, at least part of the burner wall ( 1 ) being heatable.

2. Burner according to claim 1, characterized in that the heating takes place electrically.

3. Burner according to claim 1 or 2, characterized in that the heating is arranged on the outside of the burner wall ( 1 ).

4. Burner according to one of claims 1 or 2, characterized in that the heating is arranged on the inside of the burner wall ( 1 ).

5. Burner according to one of claims 1 to 4, characterized characterized that heating by means of heating foil he follows.

6. Burner according to one of claims 1 to 4, characterized characterized that heating by means of heating wire he follows.

7. Burner for a gas turbine, in particular according to one of the Claims 1 to 6, characterized in that on A flame ring is arranged at the outlet of the air duct.

8. Burner according to claim 7, characterized in that the flame ring can be charged with fuel gas.

9. Burner according to one of claims 7 or 8, characterized characterized that the flame ring with evaporated Liquid fuel can be applied.