-
Die Erfindung betrifft ein Brennerteil zur Verwendung in einem Brenner.
-
In den neueren Versionen von Gasturbinen wird eine höhere Turbineneinlasstemperatur und höhere Temperaturen in der Verbrennungszone (TiTiso; TPZ) und ein steigender Massenstrom bei gleichzeitig niedrigen NOx Emissionen erreicht. Hierzu wurde ein geändertes und verbessertes Brennerteil für den Hauptbrenner entwickelt und erfolgreich getestet und eingesetzt.
-
Um mit bereits im Einsatz stehenden Maschinen wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen diese Vorgaben ebenfalls erreicht werden.
-
Jedoch ist dieser neue Brennertyp nur in einer vierstufigen Variante verfügbar, was in Servicemaschinen auf Grund mit einer 2 Stufen Variante („Pilot“ und „Mainburner“) nicht wirtschaftlich einsetzbar /ersetzbar ist.
-
Für eine günstige Verbrennung mit dem Ziel, Schadstoffe weitestgehend zu vermeiden, ist es unerlässlich, dass vor der Verbrennung des Brennstoffs eine homogene Vermischung des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft stattfindet. Um dies zu erreichen, werden im Stand der Technik verschiedene Lösungen eingesetzt. In vielen Fällen basieren diese auf der Erzeugung einer Turbulenz zwischen der Verbrennungsluft und dem Brennstoff. Obwohl Turbulenzen zu Widerständen in der Strömung führen, ist es in der Regel nicht möglich, die gewünschte weitgehend schadstofffreie Verbrennung ohne Turbulenzen zu erreichen. Um die Verbrennungsluft mit dem Brennstoff zu vermischen, werden in der Regel Strömungselemente im Strömungsweg angeordnet, die die Strömung umlenken und Verwirbelungen erzeugen. In vielen Fällen werden dazu schaufelartige Strukturen verwendet. Weiterhin ist es bekannt, auf der Oberfläche entlang des Strömungsweges Störkonturen anzuordnen, die eine Verwirbelung der Verbrennungsluft bewirken. So ist es beispielsweise bekannt, an der Wand eines Strömungskanals sogenannte Wirbelgeneratoren anzuordnen, die entsprechend in den Strömungskanal hineinragen.
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verringerte NOx Emissionen in bestehenden Anlagen zu erreichen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Brennerteil so zu verbessern, um eine Reduzierung der NOx Emissionen zu erzielen.
-
Die Aufgabe wird durch ein Brennerteil gemäß der Lehre des Anspruchs 1 und einem Brenner gemäß Anspruch 13 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die Unteransprüche können beliebig miteinander kombiniert werden, um weitere Vorteile zu erzielen.
-
In den folgenden Figuren werden Beispiele für ein erfindungsgemäße Brennerteile und deren Verwendung in einem Brenner gezeigt.
-
Es zeigen
- 1, 10 jeweils skizzenhaft einen Teil eines beispielhaften Brenners mit erfindungsgemäße Brennerteilen,
- 2 bis 5 Brennerteile nach dem Stand der Technik,
- 4 einen Schnitt von 1 für einen 4-stufigen Brenner,
- 5 einen Schnitt von 1 für einen 2-stufigen Brenner,
- 6, 11 erfindungsgemäße Brennerteile und
- 7 eine Schnittdarstellung von 6,
- 8, 9 Anordnungen einer Blende,
- 12, 13 zeigen in einer perspektivischen Ansicht eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennerteils,
- 14 skizziert im Detail einen Wirbelgenerator mit einer Brennstoffdüse.
-
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
-
In 1 ist schematisch ein Teil eines Brenners 1 mit einem erfindungsgemäßen Brennerteil 11 skizziert. Die Erfindung ergibt sich aber größtenteils erst aus dem Inneren des Brennerteils 11. Daher entspricht dies auch einer Anordnung nach dem Stand der Technik
-
In 10 ist ein Teil eines Brenners 1' einer weiteren Ausführungsform des Brennerteils 11' mit Wirbelgeneratoren 17 skizziert.
-
Die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brenner 1, 1' umfassen jeweils einen Hauptbrenner 3, der einen Zündbrenner 6 ringförmig umgibt.
-
Der Hauptbrenner 3 weist einen ringförmigen Strömungskanal 2 auf, der durch eine innere Kanalwand 4 des Zündbrenners 6 und eine äußere Kanalwand 5 begrenzt ist.
-
Innerhalb des Strömungskanals 2 sind mehrere erfindungsgemäße Brennerteile 11 (2), 11' (10) in Umfangsrichtung verteilt angeordnet.
-
In den 2, 3, 4, 5 sind Brennerteile 9, 9' aus dem Stand der Technik näher dargestellt.
-
Die Brennerteile 9, 9' als auch die die erfindungsgemäßen Brennerteile 11, 11' weisen im Wesentlichen die Form eines Schaufelblatts einer Turbinenschaufel auf.
-
Die Brennerteile 9, 9', 11, 11' weisen eine Vorderkante 12, eine Hinterkante 13 und eine Bauteilwand 14 auf.
-
Auf den jeweiligen Bauteilwänden 14 sind Brennstoffdüsen 19 angeordnet, aus denen der Brennstoff strömt.
-
Das vierstufige Brennerteil 9 in 2 hat einen A-Zugang 30 für Brennstoff für die Stufe A einer Verbrennung und einen B-Zugang 33 für die Stufe B einer Verbrennung.
-
Das zweistufige Brennerteil 9' in 3 hat nur den A-Zugang 41.
-
In 4 ist das Brennerteil 9 querschnittsmäßig im eingebauten Zustand zu sehen.
-
Zu erkennen sind die zwei vorgelagerten Hohlräume (Speisekanal für Brennstoff) 32, 35 für einen A-Zugang 30 (32) bzw. einen B-Zugang 33 (35), die den Brennstoff für die Stufe A und die Stufe B zu führen.
-
Jede Stufe hat seinen eigenen Zugang.
-
Die entsprechenden Löcher oder Düsen, aus denen der Brennstoff in den Kanal 2 austritt, sind hier nicht näher dargestellt, sind aber den anderen Figuren zu erkennen (dies gilt für alle Zeichnungen).
-
Außerdem gibt es noch einen Zugang 36 für einen Ölbrenner.
-
In 5 ist das Brennerteil 9' für einen zweistufigen Brenner gemäß 3 querschnittsmäßig dargestellt, das aber nur einen vorgelagerten Hohlraum 42 und nur einen Zugang 41 aufweist.
-
Ein erfindungsgemäßes Brennerteil ist in 6 (Brennerteil 11), 7 (im Querschnitt für Brennerteile 11, 11') dargestellt. Das Brennerteil 11, 11' weist neben einer Stufe A 40 ebenfalls eine Stufe B 43 auf, die aber über einen einzigen, gemeinsamen, vorgelagerten Hohlraum 83 und einen einzigen Zugang 81 versorgt werden (7).
-
Im erfindungsgemäßen Brennerteil 11, 11' haben die Brennstoffstufen (A + B) gemäß einer vierstufigen Variante den gleichen Speisekanal oder Hohlraum 83 (7).
-
Die Stufe B 43 gemäß 7 weist denselben Massenstrom und dieselbe Eindringtiefe wie im 4-stufigen Design (4) auf.
-
Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine Möglichkeit ist die Verwendung einer zusätzlichen Blende 50 im Bereich der Stufe B 43, die diese Eigenschaften ermöglicht.
-
9 zeigt die Blende 50 in vergrößerter Darstellung. Vorzugsweise wird die Blende 50 in eine ringförmige Vertiefung 53 (8) am Anfang der Stufe B 43 eingebracht ( 9).
-
Die Blende 50 steuert den Brennstoff bzgl. Massenstrom und Eindringtiefe ohne Ventile und ohne separaten Hohlraum.
-
Über unterschiedliche Blenden können verschiedene Massenströme der B-Stufe eingestellt werden.
-
Brennerteile 9' in zweistufiger Variante gemäß 5 können auch in die erfindungsgemäße Variante umgearbeitet werden.
-
Das Brennerteil der vorliegenden Art ist als Bestandteil eines Brenners vorgesehen. Die Art des Brenners 1, 1' ist zunächst unerheblich, jedoch wird das Brennerteil vorteilhaft in einem Brenner einer Gasturbine eingesetzt. Dabei ist es naheliegend, dass der Brenner auf der stromaufwärtigen Seite einer Brennkammer angeordnet werden soll. In diesem Fall weist der Brenner einen Strömungskanal auf, in dem Verbrennungsluft in einer Strömungsrichtung von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite strömt. Die Strömungsrichtung der Verbrennungsluft definiert eine Strömungsrichtung. Das Brennerteil ist bewusst innerhalb des Strömungskanals des Brenners angeordnet, so dass auch hier die Strömungsrichtung, die Anströmseite und die Abströmseite gilt. Als nächstes wird eine Querrichtung als Richtung quer zur Strömungsrichtung definiert.
-
Bei der Anordnung des Brennerteils im Strömungskanal hat es auf der stromaufwärts gelegenen Seite eine Vorderkante und auf der stromabwärts gelegenen Seite eine Hinterkante. Die Vorderkante und die Hinterkante sind jeweils am Ende des Brennerteils gemeint. Das Brennerteil umfasst ferner eine Bauteilwand, die sich in Strömungsrichtung von der Vorderkante zur Hinterkante erstreckt. Die Bauteilwand erstreckt sich weiter in der Querrichtung von einem ersten Wandende zu einem gegenüberliegenden zweiten Wandende. Bei der Anordnung im Strömungskanal strömt die Verbrennungsluft entlang der Bauteilwand.
-
Zur Verbesserung der Durchmischung des Brennstoffs in der Verbrennungsluft sind an der in den Strömungskanal hineinragenden Bauteilwand mehrere Wirbelgeneratoren angeordnet. Dabei sind die Wirbelerzeuger (im Sinne der Erfindung, unabhängig davon, ob weitere an anderer Stelle vorhanden sind) nahe der Vorderkante und in Querrichtung voneinander beabstandet angeordnet. Eine Position nahe der Vorderkante wird angenommen, wenn der jeweilige Wirbelgenerator innerhalb eines Kantenabschnitts von 20% des Abstands von der Vorderkante zur Hinterkante an der gleichen Querposition angeordnet ist.
-
Anschließend sind die Wirbelgeneratoren in eine Gruppe von Hauptwirbelgeneratoren und einen Zusatzwirbelgenerator zu unterteilen. Dabei ist ein erster Hauptwirbelgenerator als einer der Hauptwirbelgeneratoren an der dem ersten Wandende zugewandten Seite angeordnet. Ein zweiter Hauptwirbelerzeuger ist neben dem ersten Wirbelerzeuger angeordnet.
-
Die Brennerkomponente umfasst ferner eine Anzahl von Brennstoffdüsen. Dabei sind die Brennstoffdüsen (im Sinne der Erfindung, unabhängig davon, ob weitere an anderer Stelle vorhanden sind) jeweils stromabwärts eines Hauptwirbelerzeugers angeordnet. Das heißt, es gibt immer die Anordnung eines Hauptwirbelgenerators neben der Vorderkante zusammen mit einer Brennstoffdüse stromabwärts des jeweiligen Hauptwirbelgenerators.
-
Auch wenn die Anordnung einer Kraftstoffdüse stromabwärts eines Wirbelgenerators an sich vorteilhaft ist, hat sich gezeigt, dass mit einem zusätzlichen Wirbelgenerator ohne Kraftstoffdüse eine weitere Verbesserung der Durchmischung erreicht werden kann. Der Zusatzwirbelgenerator befindet sich dabei zwischen dem ersten Wandende und dem ersten Hauptwirbelgenerator. Ist der Zusatzwirbelgenerator zu groß dimensioniert, wird die Verbesserung durch den Zusatzwirbelgenerator zum Nachteil für die Vermischung des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft. Daher muss die Höhe des Zusatzwirbelgenerators über der Bauteilwand geringer sein als die Höhe des benachbarten ersten Hauptwirbelgenerators.
-
Die Wirbelerzeuger können unterschiedlich geformt sein, wobei es vorteilhaft ist, eine dreieckige Form zu wählen, mit einer vorlaufenden Kurve an der Verbrennungswand auf der stromaufwärtigen Seite und einer nachlaufenden Kurve quer zur Verbrennungswand auf der stromabwärtigen Seite. Dabei nimmt die Höhe der Wirbelgeneratoren von der Anströmseite zur Abströmseite hin zu.
-
Dies führt vorteilhaft dazu, dass sich die Oberseite der Wirbelgeneratoren von der vorderen Kurve bis zum freien Ende der hinteren Kurve erstreckt. Die Höhe des Wirbelgenerators ist somit durch den Abstand von der Bauteilwand bis zum freien Ende der Schleppkurve definiert. Gemäß der dreieckigen Bauform weist der Wirbelgenerator vorteilhaft zwei weitere gegenüberliegende Seitenflächen auf, die sich jeweils von der Schleppkurve zu einem der beiden Enden der Leitkurve erstrecken.
-
Hinsichtlich der Position der Wirbelgeneratoren (Hauptwirbelgenerator und Zusatzwirbelgenerator) nahe der Vorderkante ist es weiterhin vorteilhaft, diese in gleicher Position zur Strömungsrichtung anzuordnen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Hinterkante der Wirbelgeneratoren jeweils den gleichen Abstand zur Vorderkante hat (was angenommen wird, wenn die Abstände in einem Bereich von +/-10% liegen).
-
Hinsichtlich der Anordnung der Wirbelgeneratoren ist es weiterhin von Vorteil, sie nahe oder an der Vorderkante anzuordnen. Bei gegebener unterschiedlicher Größe der Wirbelerzeuger und deren bevorzugter Anordnung mit der Schleppkurve an gleicher Position in Strömungsrichtung ist es offensichtlich, dass der größte Hauptwirbelerzeuger vorteilhaft so angeordnet ist, dass der Abstand von der Vorderkante zu mindestens einer Vorderkurve weniger als 10% des Abstandes von der Vorderkante zur jeweiligen Schleppkurve des größten Hauptwirbelerzeugers beträgt.
-
In Abhängigkeit von der Größe des Brennerteils, insbesondere der Breite in Querrichtung vom ersten Wandende zum zweiten Wandende, ist es vorteilhaft, mindestens drei und höchstens sechs Hauptwirbelerzeuger mit jeweils einer Brennstoffdüse anzuordnen, die stromabwärts der jeweiligen Hauptwirbelgenerator. Dabei ist es besonders vorteilhaft, vier oder fünf Hauptwirbelerzeuger zu verwenden. So ist neben dem zweiten Wirbelerzeuger auf der dem zweiten Wandende zugewandten Seite ein dritter Wirbelerzeuger und neben dem dritten Wirbelerzeuger auf der dem zweiten Wandende zugewandten Seite ein vierter Wirbelerzeuger angeordnet. Gegebenenfalls ist neben dem vierten Wirbelerzeuger auf der dem zweiten Wandende zugewandten Seite ein fünfter Wirbelerzeuger angeordnet.
-
Bei Verwendung eines dritten und insbesondere eines vierten Hauptwirbelerzeugers ist es vorteilhaft, die Größe ausgehend vom ersten Hauptwirbelerzeuger über den zweiten Hauptwirbelerzeuger weiter zu erhöhen, so dass der dritte Hauptwirbelerzeuger größer ist als der zweite Hauptwirbelerzeuger und der vierte Hauptwirbelerzeuger größer ist als der dritte Hauptwirbelerzeuger.
-
Hinsichtlich der weiteren konkreten Position des Zusatzwirbelgenerators ohne Brennstoffdüse ist es vorteilhaft, diesen in der Mitte zwischen dem ersten Wandende und dem ersten Hauptwirbelgenerator anzuordnen. Dies wird als gegeben angenommen, wenn die Position innerhalb einer Toleranz von 15% des Abstandes vom ersten Wandende zum ersten Hauptwirbelgenerator liegt.
-
Es ist zu beachten, dass für die Position eines Wirbelgenerators in Querrichtung die Mittel- oder Schleppkurve des Wirbelgenerators betrachtet wird.
-
Bei dieser Anordnung des Zusatzwirbelgenerators in der Hälfte des Abstandes vom ersten Wandende zum ersten Hauptwirbelgenerator ist es weiterhin vorteilhaft, den ersten Hauptwirbelgenerator in der Hälfte des Abstandes vom ersten Wandende zum zweiten Hauptwirbelgenerator anzuordnen. Auch hier wird davon ausgegangen, dass die bevorzugte Position gegeben ist, wenn der erste Hauptwirbelerzeuger in der Mitte zwischen dem ersten Wandende und dem zweiten Hauptwirbelerzeuger mit einer Toleranz von 15% des Abstandes vom ersten Wandende zum zweiten Hauptwirbelerzeuger angeordnet ist.
-
Da die Wirkung bei dieser Anordnung des Zusatzwirbelgenerators bei jedem weiteren Hauptwirbelgenerator abnimmt, ist es bevorzugt, den bevorzugten dritten Hauptwirbelgenerator in einem Abstand zum zweiten Hauptwirbelgenerator anzuordnen, der mindestens das 1,2-fache und höchstens das 1,5-fache des Abstands zwischen dem zweiten Hauptwirbelgenerator und dem ersten Hauptwirbelgenerator beträgt.
-
Bei den Brennstoffdüsen ist es vorteilhaft, sie in der Nähe der jeweiligen Hauptwirbelgeneratoren anzuordnen. Daher sollte der Abstand zwischen dem Wirbelgenerator und der jeweiligen Brennstoffdüse weniger als die Hälfte der Länge des Wirbelgenerators betragen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Abstand vom jeweiligen Hauptwirbelgenerator zur Mitte der Brennstoffdüse kleiner ist als die Hälfte des Abstandes zwischen der vorderen Kurve und der hinteren Kurve des jeweiligen Hauptwirbelgenerators.
-
Das bewusst in einem Strömungskanal angeordnete Brennerteil könnte auch anders gestaltet werden (außer der Bauteilwand mit den Wirbelgeneratoren und den Brennstoffdüsen). Es ist jedoch vorteilhaft, das Brennerteil in Form einer Schaufel auszuführen. Dies ermöglicht die widerstandsarme Führung des Verbrennungsluftstroms.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners hat eine zentrale Brennerachse und einen ringförmigen Strömungskanal, der sich von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite erstreckt. Der Strömungskanal wird an der radialen Innenseite durch eine innere Strömungskanalwand und an der radialen Außenseite durch eine äußere Strömungskanalwand begrenzt. Innerhalb des Strömungskanals sind dabei mehrere Brennerkomponenten gemäß der vorangegangenen Beschreibung angeordnet. Das erste Wandende der Brennerteile ist an der inneren Strömungskanalwand und das zweite Wandende des Brennerteils ist an der äußeren Strömungskanalwand befestigt.
-
Natürlich ist es möglich, das Brennerteil als separates Teil zu realisieren, das z.B. zwischen der inneren Kanalwand und der äußeren Kanalwand montiert ist. Andererseits ist es möglich, den Brenner mit der inneren Kanalwand und der äußeren Kanalwand und den Brennerteilen integral zu bauen, z.B. durch additive Fertigung. Weitere Fertigungsmöglichkeiten sind natürlich möglich, um das Brennerteil mit der inneren Kanalwand und der äußeren Kanalwand zu kombinieren.
-
Wie in 11 zu erkennen ist, hat das Brennerteil 11' die Form eines Flügels mit einer Bauteilwand 14, die sich von einer Vorderkante 12 des Brennerteils zu einer Hinterkante 13 des Brennerteils erstreckt. Die Bauteilwand wird ferner durch ein erstes Seitenende 15 und ein gegenüberliegendes zweites Seitenende 16 begrenzt. Die Richtung von der Vorderkante an einer stromaufwärtigen Seite zur Hinterkante 13 an der stromabwärtigen Seite definiert eine Strömungsrichtung. Quer zur Strömungsrichtung ist eine Querrichtung von dem ersten Seitenende 15 zu dem zweiten Seitenende 16 definiert.
-
Wie in den 11 zu sehen ist, sind nahe der Vorderkante 12 eine Reihe von Wirbelgeneratoren 17 angeordnet.
-
Zu den 12, 13: Hier gibt es vier Hauptwirbelerzeuger 17a, 17b, 17c und 17d. Ihre Größe und Höhe nimmt von einem ersten Hauptwirbelgenerator 17a an der dem ersten Wandende 15 zugewandten Seite über den zweiten Hauptwirbelgenerator 17b bis zum dritten Hauptwirbelgenerator 17c zu. Der vierte Hauptwirbelerzeuger 17d hat gegenüber dem Wechsel vom ersten Hauptwirbelerzeuger 17a zum dritten Hauptwirbelerzeuger 17c eine verringerte Größe. In dieser Ausführungsform sind die Wirbelgeneratoren 17, 18 mit ihrem stromabwärtigen Ende an der gleichen Position in Strömungsrichtung angeordnet. Dies hat zur Folge, dass der dritte Hauptwirbelgenerator 17c als größter mit seinem stromaufwärtigen Ende sehr nahe an der Vorderkante 12 angeordnet ist, wodurch sich der Abstand zur Vorderkante 12 zum ersten Hauptwirbelgenerator 17a (und auch zum vierten Hauptwirbelgenerator 17d mit reduzierter Größe) erhöht.
-
Die Hauptwirbelgeneratoren 17 sind dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts von ihnen an jedem Hauptwirbelgenerator 17a-17d jeweils eine Kraftstoffdüse 19a-19d angeordnet ist. Wie man sieht, ist der Abstand von den Brennstoffdüsen 19 zum jeweiligen Hauptwirbelgenerator 17 wesentlich geringer als die Größe der Wirbelgeneratoren 17.
-
Die verbesserte Durchmischung wird durch den zusätzlichen Wirbelgenerator 18 erreicht, der zwischen dem ersten Hauptwirbelgenerator 17a und dem ersten Wandende 15 angeordnet ist. Im Gegensatz zu den Hauptwirbelgeneratoren 17 ist am Zusatzwirbelgenerator 18 keine Kraftstoffdüse angeordnet. Weiterhin ist die Größe des Zusatzwirbelgenerators 18 gegenüber dem ersten Hauptwirbelgenerator 17a reduziert.
-
In 14 ist eine Detailansicht eines an der Bauteilwand 14 angeordneten Hauptwirbelgenerators 17 skizziert. Wie zu erkennen ist, hat der Hauptwirbelgenerator 17 eine Dreiecksform mit einer vorlaufenden Kurve 22 als Übergang von einer Oberseite 24 des Hauptwirbelgenerators 17 zur Bauteilwand 14 und einer nachlaufenden Kurve 23, die quer zur Bauteilwand verläuft und damit die Höhe des Hauptwirbelgenerators 17 definiert. Dies führt zu zwei gegenüberliegenden Seitenwänden 25, die sich von der Schleppkurve 23 zu einem der beiden gegenüberliegenden Enden der Leitkurve 22 erstrecken. Stromabwärts des Hauptwirbelgenerators 17 ist eine Kraftstoffdüse 19 angeordnet.