DE19652899A1

DE19652899A1 - Brenneranordnung für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE19652899A1
Application number: DE19652899A
Authority: DE
Inventors: Jakob Prof Dr Keller; Paul Marlow; Robin Mcmillan; Martin Valk
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 1998-06-25
Also published as: CN1103024C; DE59710217D1; JP3995067B2; JPH10185194A; EP0849533A3; US6038863A; EP0849533B1; EP0849533A2; CN1185565A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Brennertechnik für Gasturbinen. Sie betrifft eine Brenneran ordnung für eine Gasturbine, umfassend wenigstens einen im Plenum der Gasturbine angeordneten Brenner, welcher mit einem innenliegenden Einspritzraum in eine Brennkammer mündet und außen mit Druckluft von einer Kompressorstufe der Gasturbine beaufschlagt ist, sowie eine dem Brenner zugeordnete Brenn stofflanze für die wahlweise Zufuhr von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen, welche Brennstofflanze ein zentra les Flüssigbrennstoffrohr und ein das Flüssigbrennstoffrohr konzentrisch umgebendes Pilotgasrohr aufweist, wobei die Rohre in einem Lanzenkopf an der Spitze der Brennstofflanze in zugehörigen Austrittsöffnungen enden, und welche Brenn stofflanze mit dem Lanzenkopf in ein mit dem Einspritzraum in Verbindung stehendes Innenrohr des Brenners einführbar ist.

Eine derartige Brenneranordnung ist z. B. aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE-A1-43 06 956 bekannt.

Stand der Technik

Für stationäre Gasturbinen in Kraftwerken haben sich seit längerem Brennkammern mit sogenannten Doppelkegelbrennern be währt, denen von außen durch einsteckbare Brennerlanzen Brennstoff zugeführt wird (siehe die eingangs genannte Druck schrift). Die Brennerlanze ist dabei meist als Zwei-Brenn stoff-Lanze ("dual fuel lance") ausgelegt, d. h. in der Brenn stofflanze kann wahlweise gasförmiger Brennstoff (Pilotgas) und flüssiger Brennstoff (üblicherweise eine Öl-Wasser-Mi schung) zugeführt werden. Dazu sind in der Lanze konzentrisch entsprechende Rohre (Flüssigbrennstoffrohr, Pilotgasrohr) an geordnet, die Kanäle für das Gas und den Flüssigbrennstoff bilden. Die Kanäle enden an der Lanzenspitze (im Lanzenkopf) in zugehörigen Austrittsöffnungen für den jeweiligen Brenn stoff. Die Lanze steckt mit dem Lanzenkopf in einem entspre chenden Innenrohr des Brenners, so daß der austretende Brennstoff in den an das Innenrohr anschließenden Einspritz raum gelangt.

Während des normalen Ölbetriebs fließt in dem inneren Flüs sigbrennstoffrohr (Flüssigbrennstoffkanal) der Brenn stofflanze ein Öl-Wasser-Gemisch. In der Startphase fließt dagegen im Gasbetrieb Pilotgas im ringförmigen Pilotgaskanal zwischen dem Flüssigbrennstoffrohr und dem Pilotgasrohr. Eine der beiden Brennstoffkanäle ist dabei immer außer Betrieb. Manchmal werden sogar beide Kanäle gleichzeitig nicht be nutzt.

Da in den nicht benutzten Kanälen der notwendige Überdruck gegenüber dem Einspritzraum des Brenners fehlt, kann es vor kommen, daß heiße Gase oder heißes Öl vom Brenner her in die nicht benutzten Kanäle eindringen und zu einer zeitweisen oder dauerhaften Beeinträchtigung der Funktion der Brennstofflanze führen. Es wäre daher wünschenswert, die Brenneranordnung so auszubilden, daß ein solches Eindringen auf einfache Weise sicher verhindert wird.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brenneranordnung an zugeben, bei welcher mit geringem Aufwand das Eindringen von heißen Gasen oder heißem Öl aus dem Brenner in einen nicht benutzten Brennstoffkanal der Brennerlanze sicher vermieden wird.

Die Aufgabe wird bei einer Brenneranordnung der eingangs ge nannten Art dadurch gelöst, daß zum Schutz vor einem Ein dringen von heißen Gasen und/oder heißem Flüssigbrennstoff in die Austrittsöffnungen der Rohre bei Nichtbenutzung dieser Rohre im Lanzenkopf in unmittelbarer Nähe der Aus trittsöffnungen der Rohre eine zusätzliche Öffnung vorgese hen ist, durch welche Druckluft in den Einspritzraum aus strömt, und daß Mittel vorgesehen sind, welche Druckluft aus dem den Brenner umgebenden Plenum zu der zusätzlichen Öff nung führen. Hierdurch wird am Lanzenkopf in unmittelbarer Nähe der Austrittsöffnungen der Brennstoffrohre ein Luft schirm erzeugt, der ein Rückströmen in die Austrittsöffnungen sicher unterbindet. Da die dazu erforderliche Druckluft di rekt am Brenner aus dem umgebenden Plenum entnommen wird, entfallen zusätzliche Leitungen in der Lanze und zur Lanze hin, sowie zugehörige Anschlüsse, Ventile und dgl.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Brenneranordnung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Mittel zur Führung der Druckluft einen Zwischenraum umfassen, wel cher in Strömungsrichtung vor dem Lanzenkopf zwischen dem Pi lotgasrohr und dem Innenrohr des Brenners angeordnet ist, daß der Zwischenraum mit dem den Brenner umgebenden Plenum über wenigstens eine von außen durch den Brenner hindurch in das Innenrohr führende Einlaßbohrung verbunden ist, daß der Zwischenraum mit der zusätzlichen Öffnung über wenigstens einen durch den Lanzenkopf geführten Druckluftkanal in Ver bindung steht, und daß der Zwischenraum ringförmig ausgebil det ist und das Pilotgasrohr konzentrisch umgibt. Der Zwi schenraum kann auf einfache Weise dadurch gebildet werden, daß das (äußere) Pilotgasrohr der Lanze in Strömungsrich tung vor dem Lanzenkopf im Außendurchmesser gegenüber dem Innenrohr des Brenners deutlich reduziert wird. Die Einlaß bohrungen und Druckluftkanäle erfordern nur sehr geringe Än derungen am Brenner bzw. dem Lanzenkopf.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemä ßen Brenneranordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einlaßbohrungen um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeordnet sind, daß mehrere Druckluftkanäle um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeordnet sind, und daß die Druckluftkanäle in Strömungsrichtung schräg zur Brennerachse bzw. Lanzenachse hin verlaufen. Durch diese Art der Anordnung wird ein besonders gleichmäßiger und stabiler Luftschirm erzeugt.

Die Austrittsöffnung für den Flüssigbrennstoff im Lanzenkopf ist vorzugsweise zentral angeordnet, und die zusätzliche Öffnung im Lanzenkopf ist vorzugsweise als Ringöffnung aus gebildet, welche die zentrale Austrittsöffnung für den Flüs sigbrennstoff konzentrisch umgibt. Dadurch wird ein Luftman tel erzeugt, der den zentralen Austritt für den Flüssigbrenn stoff ringförmig umschließt und abschirmt.

In einer ersten alternativen Weiterbildung dieser Ausfüh rungsform sind mehrere Austrittsöffnungen für das Pilotgas um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeordnet, und die Austrittsöffnungen münden in die Ringöffnung. Hier durch werden die nicht benutzten Austrittsöffnungen für beide Brennstoffe einfach abgeschirmt.

In einer zweiten alternativen Weiterbildung dieser Ausfüh rungsform sind mehrere Austrittsöffnungen für das Pilotgas um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeordnet, und die Austrittsöffnungen liegen außerhalb der Ringöffnung. Hierdurch wird zusätzlich zu der Abschirmung der nicht be nutzten Austrittsöffnungen eine Trennung mittels des Luftvor hangs zwischen der innenliegenden Austrittsöffnung für den Flüssigbrennstoff und den außenliegenden Austrittsöffnungen für das Pilotgas erreicht.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen.

Kurze Erläuterung der Figuren

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 im Längsschnitt ein erstes allgemeines Ausfüh rungsbeispiel für eine Brenneranordnung gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 2 den Querschnitt durch die Brenneranordnung gemäß Fig. 1 entlang der Ebene A-A mit den Einlaßboh rungen für die abschirmende Druckluft;

Fig. 3 im Längsschnitt (Teilfigur (b)) und im Quer schnitt (Teilfigur (a)) entlang der Ebene B-B aus Teilfigur (b) ein zweites bevorzugtes Ausfüh rungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Bren neranordnung mit gemeinsamer Ringöffnung für die Druckluft und das Pilotgas; und

Fig. 4 in der Frontalansicht (Teilfigur (a)), im Längs schnitt (Teilfigur (b)) und im Querschnitt (Teilfigur (c)) entlang der Ebene C-C in Teilfigur (b) ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Brenneranordnung mit einer Plazierung des Luftschirms zwischen dem Flüssigbrennstoffaustritt und dem Pilotgasaus tritt.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In der Fig. 1 ist im Längsschnitt ein erstes allgemeines Aus führungsbeispiel für eine Brenneranordnung gemäß vorliegen der Erfindung wiedergegeben. Die Brenneranordnung 1 umfaßt einen Brenner 2, der im vorliegenden Fall als Doppelkegel brenner ausgebildet ist. Der Brenner 2 umschließt einen Ein spritzraum 8, der in eine nicht eingezeichnete Brennkammer mündet (siehe dazu die DE-A1-43 06 956). Der Brenner ist au ßen vom Plenum 7 der Gasturbine umgeben, welches mit Druck luft aus der Kompressorstufe der Gasturbine beaufschlagt ist. Im Zentrum des Brenners 2 ist ein Innenrohr 6 angeordnet, in welches eine Brennstofflanze 9 mit einem Außenrohr 10 und einer Lanzenspitze eingesteckt ist, welche das Ende eines Pi lotgasrohres 11 und den daran anschließenden Lanzenkopf 12 umfaßt. Der Brenner 2 umfaßt weiterhin zwei außenliegende Hauptgaskanäle 3 und 4 (siehe auch Fig. 2), durch welche das Hauptgas herangeführt und durch eine Vielzahl von Einström öffnungen 5 (von denen in Fig. 1 der Übersichtlichkeit hal ber nur fünf beispielhaft eingezeichnet sind) in den Ein spritzraum 8 eingedüst wird.

Der Außendurchmesser des Pilotgasrohres 11 ist gegenüber dem Innendurchmesser des Innenrohres 6 (zumindest gleich hinter dem Lanzenkopf 12) deutlich reduziert, so daß sich zwischen dem Pilotgasrohr 11 und dem Innenrohr 6 ein ringförmiger Zwi schenraum 13 ergibt. In diesen Zwischenraum 13 kann - wie aus dem Querschnitt in Fig. 2 deutlich wird - durch zwei sich ge genüberliegende Einlaßbohrungen 14 und 15 Druckluft aus dem umgebenden Plenum 7 einströmen und steht dort zur Bildung ei nes Luftschirms im Austrittsbereich des Lanzenkopfes 12 zur Verfügung. Die Bildung des Luftschirms kann auf unterschied liche Weise erfolgen und soll nachfolgend an zwei Ausfüh rungsbeispielen gemäß den Fig. 3 und 4 erläutert werden, die dazu den inneren Aufbau im Bereich des Lanzenkopfes 12 zei gen.

Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel im Längsschnitt (Teilfigur (b)) und im Querschnitt (Teilfigur (a)) entlang der Ebene B-B aus Teilfigur (b). Die im Innenrohr 6 des Bren ners 2 steckende Brennstofflanze 9 umfaßt neben dem bereits erwähnten Pilotgasrohr 11 und dem Lanzenkopf 12 ein konzen trisch im Pilotgasrohr 11 angeordnetes Flüssigbrennstoffrohr 19. Im zentralen Flüssigbrennstoffkanal 20 des Flüssigbrenn stoffrohres wird beim Betrieb des Brenners mit Flüssigbrenn stoff (meist eine Öl-Wasser-Mischung) der Flüssigbrennstoff herangeführt und durch eine zugehörige Austrittsöffnung 20 im Lanzenkopf 12 in den Einspritzraum 8 eingespritzt. Beim Gas betrieb wird Pilotgas im Pilotgaskanal 16 zwischen dem Flüs sigbrennstoffrohr 19 und dem Pilotgasrohr 11 herangeführt und durch mehrere Austrittsöffnungen 23 bzw. 23a-c im Lanzenkopf in die Einspritzkammer 8 eingedüst. Die Austrittsöffnungen 23a-c werden dadurch gebildet, daß das Flüssigbrennstoffrohr 19 an der Spitze 21 einen Querschnitt in Form eines in die kreisförmige Bohrung des Pilotgasrohres 11 einbeschriebenen Dreiecks aufweist (siehe Fig. 3(a)).

Zur Bildung des Luftschirmes ist nun im Frontbereich des Lan zenkopfes 12 eine Ringöffnung 17 vorgesehen, welche die zen trale Austrittsöffnung 22 des Flüssigbrennstoffkanals 20 kon zentrisch umgibt. Die Ringöffnung 17 wird durch mehrere (drei) um die Lanzenachse herum verteilt angeordnete Druck luftkanäle 18 bzw. 18a-c mit Druckluft aus dem Zwischenraum 13 versorgt. Die Druckluftkanäle 18 bzw. 18a-c liegen dabei in radialer Richtung außerhalb der Austrittsöffnungen 23 bzw. 23a-c, welche in die Ringöffnung 17 münden. Die Druck luftkanäle 18 bzw. 18a-c und die Innenwand der Ringöffnung 17 sind vorzugsweise schräg zur Brennerachse bzw. Lanzenachse hin verlaufend ausgebildet. Dadurch bildet die austretende Druckluft einen sich konisch verjüngenden Luftschirm, der eine Rückströmung von heißen Gasen und/oder heißem Öl vom Einspritzraum 8 in eine der (gerade nicht benutzten) Aus trittsöffnungen 22 bzw. 23, 23a-c wirksam unterbindet.

Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 wiedergegeben. Auch hier umfaßt die im Innenrohr 6 des Brenners 2 steckende Brennstofflanze 9 ein äußeres Pilotgasrohr 24, welches kon zentrisch ein zentrales Flüssigbrennstoffrohr 31 umgibt. Die durch die beiden Rohre 24 und 31 gebildeten Flüssigbrenn stoff- und Pilotgaskanäle 32 bzw. 25 entsprechen den Kanälen 20 und 16 aus Fig. 3. Die Rohre 24 und 31 enden auch hier in dem Lanzenkopf 12, der ebenfalls eine Ringöffnung 27 auf weist, welche die zentrale Austrittsöffnung 33 für den Flüs sigbrennstoffkanal 32 konzentrisch umgibt. Die Druckluft für die Ringöffnung 27 wird aus dem ringförmigen Zwischenraum 26, der über die Einlaßbohrungen 14, 15 mit dem Plenum in Ver bindung steht, über eine Mehrzahl von (sechs) radial nach in nen gerichteten Druckluftkanälen 28 herangeführt. Das Pilot gas wird in diesem Ausführungsbeispiel jedoch nicht in die Ringöffnung 27 eingedüst, sondern durch eine Mehrzahl von (sechs) separaten Austrittsöffnungen 29, die mit dem Pilot gaskanal 25 über entsprechende Pilotgasbohrungen 30 in Ver bindung stehen.

Die Austrittsöffnungen 29 liegen in diesem Fall außerhalb der Ringöffnung 27. Der mit der Ringöffnung 27 erzeugte Luft schirm schirmt damit nicht nur den Lanzenkopf 12 als Ganzes ab, sondern liegt auch trennend zwischen den Austrittsöffnun gen 29 für das Pilotgas und der Austrittsöffnung 33 für den Flüssigbrennstoff, wodurch insbesondere eine Rückströmung zwischen den verschiedenen Austrittsöffnungen der Lanze wirk sam verhindert wird. Der beschränkte Platz im Lanzenkopf 12 wird dabei besonders gut ausgenutzt, wenn die Austrittsöff nungen 29 für das Pilotgas bzw. die Pilotgasbohrungen 30 und die Druckluftkanäle 28 um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum alternierend angeordnet sind.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine Brenneranord nung, bei der mit geringem Aufwand auf einfache Weise wirksam verhindert wird, daß heiße Gase und/oder heißes Öl aus dem Brenner in die nicht benutzten Kanäle der Brennerlanze zurückströmen können.

Bezugszeichenliste

1

Brenneranordnung

2

Brenner (insb. Doppelkegelbrenner)

3, 4

Hauptgaskanal

5

Einströmöffnung

6

Innenrohr (Brenner)

7

Plenum

8

Einspritzraum

9

Brennstofflanze

10

Außenrohr

11

Pilotgasrohr

12

Lanzenkopf

13

Zwischenraum (ringförmig)

14, 15

Einlaßbohrung (Druckluft)

16

Pilotgaskanal

17

Ringöffnung

18,

18

a-c Druckluftkanal

19

Flüssigbrennstoffrohr

20

Flüssigbrennstoffkanal

21

Spitze (Flüssigbrennstoffrohr)

22

Austrittsöffnung (Flüssigbrennstoffkanal)

23,

23

a-c Austrittsöffnung (Pilotgaskanal)

24

Pilotgasrohr

25

Pilotgaskanal

26

Zwischenraum (ringförmig)

27

Ringöffnung

28

Druckluftkanal

29

Austrittsöffnung (Pilotgaskanal)

30

Pilotgasbohrung

31

Flüssigbrennstoffrohr

32

Flüssigbrennstoffkanal

33

Austrittsöffnung (Flüssigbrennstoffkanal)

Claims

1. Brenneranordnung (1) für eine Gasturbine, umfassend wenigstens einen im Plenum (7) der Gasturbine angeordneten Brenner (2), welcher mit einem innenliegenden Einspritzraum (8) in eine Brennkammer mündet und außen mit Druckluft von einer Kompressorstufe der Gasturbine beaufschlagt ist, sowie eine dem Brenner (2) zugeordnete Brennstofflanze (9) für die wahlweise Zufuhr von flüssigen und/oder gasförmigen Brenn stoffen, welche Brennstofflanze (9) ein zentrales Flüssig brennstoffrohr (19, 31) und ein das Flüssigbrennstoffrohr (19, 31) konzentrisch umgebendes Pilotgasrohr (11, 24) auf weist, wobei die Rohre (11, 19, 24, 31) in einem Lanzenkopf (12) an der Spitze der Brennstofflanze (9) in zugehörigen Austrittsöffnungen (22, 23, 23a-c, 29, 33) enden, und welche Brennstofflanze (9) mit dem Lanzenkopf (12) in ein mit dem Einspritzraum (8) in Verbindung stehendes Innenrohr (6) des Brenners (2) einführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz vor einem Eindringen von heißen Gasen und/oder heißem Flüssigbrennstoff in die Austrittsöffnungen (22, 23, 23a-c, 29, 33) der Rohre (11, 19, 24, 31) bei Nichtbenutzung dieser Rohre im Lanzenkopf (12) in unmittelbarer Nähe der Austrittsöffnungen (22, 23, 23a-c, 29, 33) der Rohre (11, 19, 24, 31) eine zusätzliche Öffnung (17, 27) vorgesehen ist, durch welche Druckluft in den Einspritzraum (8) ausströmt, und daß Mittel vorgesehen sind, welche Druckluft aus dem den Brenner (2) umgebenden Plenum (7) zu der zusätzlichen Öff nung (17, 27) führen.

2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Mittel zur Führung der Druckluft einen Zwi schenraum (13, 26) umfassen, welcher in Strömungsrichtung vor dem Lanzenkopf (12) zwischen dem Pilotgasrohr (11) und dem Innenrohr (6) des Brenners (2) angeordnet ist, daß der Zwi schenraum (13, 26) mit dem den Brenner (2) umgebenden Plenum (7) über wenigstens eine von außen durch den Brenner (2) hindurch in das Innenrohr (6) führende Einlaßbohrung (14, 15) verbunden ist, und daß der Zwischenraum (13, 26) mit der zusätzlichen Öffnung (17, 27) über wenigstens einen durch den Lanzenkopf (12) geführten Druckluftkanal (18, 18a-c, 28) in Verbindung steht.

3. Brenneranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß der Zwischenraum (13, 26) ringförmig ausgebildet ist und das Pilotgasrohr (11) konzentrisch umgibt.

4. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 2 und 3, da durch gekennzeichnet, daß mehrere Einlaßbohrungen (14, 15) um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeord net sind.

5. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß mehrere Druckluftkanäle (18, 18a-c, 28) um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeordnet sind.

6. Brenneranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die Druckluftkanäle (18, 18a-c, 28) in Strömungs richtung schräg zur Brennerachse bzw. Lanzenachse hin verlau fen.

7. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (22, 33) für den Flüssigbrennstoff im Lanzenkopf (12) zentral angeordnet ist, und daß die zusätzliche Öffnung im Lanzenkopf (12) als Ringöffnung (17, 27) ausgebildet ist, welche die zentrale Austrittsöffnung (22, 33) für den Flüssigbrennstoff konzen trisch umgibt.

8. Brenneranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß mehrere Austrittsöffnungen (23, 23a-c) für das Pi lotgas um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeordnet sind, und daß die Austrittsöffnungen (23, 23a-c) in die Ringöffnung (17) münden.

9. Brenneranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß mehrere Austrittsöffnungen (29) für das Pilotgas um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeordnet sind, und daß die Austrittsöffnungen (29) außerhalb der Ringöffnung (27) liegen.

10. Brenneranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß mehrere Druckluftkanäle (28) um die Bren nerachse bzw. Lanzenachse herum verteilt angeordnet sind, und daß die Austrittsöffnungen (29) bzw. die Pilotgasbohrungen (30) und die Druckluftkanäle (28) um die Brennerachse bzw. Lanzenachse herum alternierend angeordnet sind.