EP2103876A2 - Brenner für Gasturbine mit Spülmechanismus für die Brennstoffdüse - Google Patents

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EP2103876A2
EP2103876A2 EP09002943A EP09002943A EP2103876A2 EP 2103876 A2 EP2103876 A2 EP 2103876A2 EP 09002943 A EP09002943 A EP 09002943A EP 09002943 A EP09002943 A EP 09002943A EP 2103876 A2 EP2103876 A2 EP 2103876A2
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EP
European Patent Office
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fuel
gas turbine
outlet holes
burner according
burner
Prior art date
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Withdrawn
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EP09002943A
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English (en)
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EP2103876A3 (de
Inventor
Thomas Dörr
Leif Rackwitz
Waldemar Lazik
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Publication date
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Publication of EP2103876A3 publication Critical patent/EP2103876A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2209/00—Safety arrangements
    • F23D2209/30—Purging

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine burner according to the features of the preamble of claim 1 and to a method for purging a fuel nozzle.
  • the risk of fuel coking increases when the fuel line is shut off and some of the fuel lines are no longer continuously fueled. This is e.g. For tiered lean burners, it is possible to switch off main burners step by step or completely when passing between different load conditions. A portion of the fuel may remain in the fuel lines which are no longer continuously flowing and is then heated due to the high metal temperatures of the fuel lines and the radiation effect of the flame.
  • the invention has for its object to provide a gas turbine burner and a method for its flushing, which with a simple structure and simple, reliable application avoid a deposit of fuel and its reaction products in the area of the fuel nozzle.
  • a flush mechanism for the shut-off fuel lines of a burner which allows a complete automatic emptying of the fuel lines.
  • the basic principle is to impose different static pressures P a, i in the outlet cross sections of the fuel lines and to generate pressure differences for the autonomous emptying of the fuel lines.
  • the Fig. 1 shows a schematic embodiment of an example of the prior art.
  • a fuel nozzle 1 is provided, which comprises a burner axis 4 and a combustion chamber 2 is assigned, in which a combustion chamber flow 3 results.
  • Reference numeral 17 exemplifies a pilot fuel injection.
  • a prior art lean burn combustor with controlled fuel inhomogeneity for a main stage of a gas turbine combustor is shown in the prior art.
  • the lean burn burner comprises an inner swirl generator 11 as well as a central swirl generator 12 and an outer swirl generator 13, which are assigned to an inner flow channel 14 and a central flow channel 15 and an outer flow channel 16.
  • the reference numeral 17 shows a pilot fuel injection, a main fuel injection is designated 18. Furthermore, an inner downstream surface of the main fuel injection (film depositor) 19 is provided.
  • Reference numeral 20 denotes an outer surface of the main fuel injection, the trailing edge of which is designated 21.
  • the reference numeral 23 shows fuel discharge holes of the main fuel injection. 24 shows a flame stabilizer.
  • an outer burner ring 27 (dome) is provided.
  • Reference numeral 28 denotes the inner contour of the outer burner ring.
  • a pilot fuel supply 29 and a main fuel supply 30 are provided.
  • the reference numeral 33 shows an exit surface of the pilot fuel injection, while the reference numeral 34 shows an exit contour of the inner leg of the flame stabilizer.
  • the Fig. 3 shows a schematic representation of different measures for impressing the different static pressures of the air supply (air flow) and for generating pressure differences.
  • the surface contour of flow-guiding components is profiled in front of the fuel outlet bores 23, so that different pressures in the area of the fuel outlet bores 23 result, which lead to emptying (empty suction) of the fuel lines.
  • measure D it is possible to change the blade positions and / or the profiles of the air swirler (air swirler 12) in the middle flow channel 15. This results in different pressure conditions, which act on the individual fuel outlet holes differently and thus lead to a negative pressure (suction).
  • Fig. 4 shows a schematic representation of the invention provided basic principle of emptying the main fuel lines by a variation of the applied pressure at the fuel outlet holes 23.
  • Fig. 4 an example is shown in which the use of a lower static pressure for every second, designated in the figure with I.
  • Fuel outlet bore which are provided alternately to fuel outlet holes II.
  • the Fig. 5 shows a schematic representation in which a staggering of the fuel outlet holes 23 along the burner axis 4 is provided. Out Fig. 5 result in the different pressure ratios when assigning the staggered fuel outlet holes 23 to a fuel line. 5
  • the 6 and 7 each show the use of a directional control valve 6 in the fuel line 5.
  • the Fig. 6 shows a switching position of the directional control valve 6, in which fuel through the fuel line 5 in a free area of a subsequent fuel line 7, which is connected to the fuel outlet bore 23, is passed.
  • a purge line 8 is out of action.
  • the Fig. 7 shows a switching position of the directional control valve 6, in which air is passed through the purge line 6 in the fuel line 7 and thus to the fuel outlet bore 23, while the supply of fuel through the fuel line 5 is suppressed.
  • This measure corresponds to measure E.
  • Fig. 2 The location of the corresponding constructive measures for a burner is in Fig. 2 shown schematically.
  • the measures can be transferred to any burner with a corresponding discrete fuel injection, for example, the application in Fig. 2 shown for a known lean burn burner.
  • the aim of all measures described above is to position the different application locations for the fuel so that on the one hand different local static pressures of the air flow for emptying standing fuel can be used but also an optimized fuel-air mixture to ensure lowest emissions is possible. Due to the different static pressures of the air at the surface (wall pressures), it follows that air enters the one recess of the fuel line and thus flushes or expels the fuel from the other recess.
  • a variation of the static pressure can be achieved in the circumferential direction.
  • a targeted coordination of the surface contouring with the number and position of the outlet bores can then cause a depletion of the stationary fuel in a shutdown of the main fuel then applied pressure drop.
  • a similar effect can be brought about by adapting the circumferential variation of the blade position of air swirlers in the flow channel of the main stage, in particular on the outer radius and by varying the blade profiling.
  • Another way to set different static pressure drop for the fuel holes is a suitable choice of application sites on the inner contour of the main stage.
  • the presence of an existing by the aerodynamics of the burner static pressure distribution is exploited to position the interconnected fuel outlet holes in areas high or low static pressures and to generate a necessary for the emptying of the stationary fuel pressure difference (s. Fig. 4 ).
  • a different interconnection of the fuel lines of e.g. proposed more than two fuel lines and / or different positioning of interconnected fuel outlet holes in the axial and circumferential directions.
  • Another method for automatic emptying is the integration of a directional valve with eg two switching positions in the burner (s. Fig. 5 ).
  • the main fuel flows continuously through the directional valve.
  • the shutdown of the fuel causes a movement of the directional control valve in a second switching position in which the continuous flow of the fuel is interrupted. Due to the presence of appropriate channel geometries, which can be located either in the middle air duct or upstream in the burner arm, then there is the possibility for continuous flow of purging air. This ensures complete emptying of the fuel lines.
  • the movement of the directional control valve into the starting position causes the release of the pending fuel while the purge air channel is blocked.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasturbinenbrenner für eine Gasturbine mit einer Kraftstoffdüse, welche mit mehreren Kraftstoffaustrittsbohrungen (23) versehen ist, welche jeweils mit einer Kraftstoffleitung verbunden sind, durch welche selektiv Kraftstoff durchleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einzelnen Kraftstoffaustrittsbohrungen (23) unterschiedliche statische Drücke der Luftströmung zwischen Kraftstoffleitung mit Kraftstoffdurchfluss und Kraftstoffleitungen ohne Kraftstoffdurchfluss ausgebildet sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasturbinenbrenner gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zum Spülen einer Brennstoffdüse.
  • Als allgemeiner Stand der Technik für einen Brenner für eine Fluggasturbine wird beispielsweise auf die US 6 543 235 B1 verwiesen.
  • Zur Senkung der thermisch bedingten Stickoxidemissionen sind unterschiedliche Konzepte für Brennstoffdüsen bekannt. Eine Möglichkeit besteht in dem Betrieb von Brennern mit einem hohen Luft-Brennstoff-Überschuss. Hier wird das Prinzip ausgenutzt, dass infolge des mageren Gemisches und bei gleichzeitiger Gewährleistung einer ausreichenden räumlichen Homogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches eine Senkung der Verbrennungstemperaturen und damit der thermisch bedingten Stickoxide begünstigt wird.
  • Bei vielen derartigen Brennern wird zudem eine interne Kraftstoffstufung angewendet. Dies bedeutet, dass neben einer für niedrige NOx-Emissionen ausgelegten Hauptkraftstoffeinspritzung zusätzlich noch eine Pilotstufe in den Brenner integriert ist, die mit einem erhöhtem Kraftstoff-Luft-Anteil betrieben wird und die Stabilität der Verbrennung einen ausreichenden Brennkammerausbrand sowie ausreichende Zündeigenschaften gewährleisten soll. Der Kraftstoff für die Hauptstufe eines derartigen Magerbrenners kann hierbei als geschlossener Film oder mittels diskreter Kraftstoffaustrittsbohrungen als Mehrfachstrahl eingebracht werden.
  • Insbesondere bei den Ausführungsformen für diskrete Strahleindüsungen besteht aufgrund der geringen Bohrungsdurchmesser (meist D < 1.0 mm) und der Positionierung der Kraftstoffzumessbohrungen nahe heißgasbeaufschlagter Bauteile eine hohe Gefahr der Kraftstoffverkokung in den Kraftstoffaustrittsbohrungen. Hintergrund ist der mit steigender Aufheizung des Kraftstoffs einsetzende Prozess der thermischen Oxidation des Kraftstoffs. Ab einer Kraftstofftemperatur von ca. 150°C und einer entsprechenden zeitlichen Wirksamkeit der thermischen Belastung können die einsetzenden chemischen Prozesse zu einer Ablagerungsbildung führen.
  • Die Folge der Ablagerungsbildung ist zunächst eine Veränderung der Durchflusscharakteristik des Kraftstoffs in den betroffenen Kraftstoffaustrittsbohrungen infolge eines erhöhten Druckabfalls. Darüber hinaus kann es zu einer vollständigen Verstopfung der Kraftstoffaustrittsbohrungen kommen. Beide Effekte führen zu einer deutlichen Verschlechterung der Kraftstoff-Luft-Mischung in der Brennkammer, verbunden mit einer Erhöhung der Emissionswerte sowie einer nachteiligen Beeinflussung der Temperaturverteilung innerhalb der Brennkammer sowie der Temperaturtraverse im Brennkammeraustritt. Bei einer hohen Ablagerungsbildung kann somit die Lebensdauer der Brennkammer und der Turbine beeinträchtigt sein.
  • Die Gefahr der Kraftstoffverkokung steigt, wenn die Kraftstoffleitung abgeschaltet und ein Teil der Kraftstoffleitungen nicht mehr kontinuierlich mit Kraftstoff versorgt wird. Dies ist z.B. bei gestuften Magerbrennern bei der schrittweisen oder vollständigen Abschaltung von Hauptbrennern beim Übergang zwischen verschiedenen Lastzuständen möglich. Ein Teil des Kraftstoffs kann in den nicht mehr kontinuierlich durchflossenen Kraftstoffleitungen verbleiben und wird dann infolge der hohen Metalltemperaturen der Kraftstoffleitungen und der Strahlungswirkung der Flamme erhitzt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasturbinenbrenner sowie ein Verfahren zu dessen Spülung zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, betriebssicherer Anwendbarkeit eine Ablagerung von Kraftstoff sowie dessen Reaktionsprodukten im Bereich der Brennstoffdüse vermeiden.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombinationen der unabhängigen Ansprüche gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen.
  • Um die Gefahr der Verkokung des Kraftstoffs in den Kraftstoffaustrittsbohrungen zu vermeiden, wird ein Spülmechanismus für die abgeschalteten Kraftstoffleitungen eines Brenners vorgeschlagen, der eine vollständige automatische Leerung der Kraftstoffleitungen ermöglicht. Über eine entsprechende Verschaltung einzelner Kraftstoffleitungen untereinander besteht das Grundprinzip in dem Aufprägen unterschiedlicher statischer Drücke Pa,i in den Austrittsquerschnitten der Kraftstoffleitungen und dem Erzeugen von Druckdifferenzen zur selbstständigen Entleerung der Kraftstoffleitungen.
  • Zur Einstellung unterschiedlicher statischer Austrittsdrücke in den Kraftstoffleitungen zur Unterstützung der Entleerung der Sammelleitungen, Kraftstoffleitungen und/oder Kraftstoffaustrittsbohrungen werden erfindungsgemäß folgende Maßnahmen vorgeschlagen:
    1. A. Profilierung der Oberflächenkontur strömungsführender Bauteile vor den Kraftstoffaustrittsbohrungen
    2. B. Wahl geeigneter Ausbringungsorte für die Kraftstoffeindüsung mit unterschiedlichen statischen Drücken der Luftströmung
    3. C. gestaffelte Anordnung der Kraftstoffaustrittsbohrungen
    4. D. Anpassung der Schaufelstellung, -profilierung für Luftdraller
    5. E. unterschiedliche Bohrungsdurchmesser der diskreten Eindüsung
    6. F. Wegeventil im Brenner zur Luftspülung
  • Erfindungsgemäß sind auch Kombinationen der Maßnahmen A bis E möglich. Zusätzlich ist die Verwendung eines Wegeventils mit zwei Schaltstellungen vorteilhaft (Maßnahme F).
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
    • Fig. 1:
    eine schematische Darstellung eines Brenners für eine Fluggasturbine gemäß dem Stand der Technik,
    Fig. 2:
    eine schematische Darstellung von Hauptkomponenten für einen erfindungsgemäßen Magerbrenner mit kontrollierter Kraftstoffinhomogenität in der Hauptstufe,
    Fig. 3:
    eine schematische Darstellung der Positionierung der erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen zur Unterstützung des Spülvorgangs stehenden Kraftstoffs für die Hauptstufe eines Magerbrenners,
    Fig. 4:
    eine schematische Teildarstellung des erfindungsgemäßen Grundprinzips der Entleerung von Hauptkraftstoffleitungen durch eine Variation des anliegenden Drucks an den Austrittsöffnungen der Kraftstoffaustrittsbohrungen,
    Fig. 5:
    eine schematische Darstellung der Staffelung der Kraftstoffaustrittsöffnungen zur Ausnutzung unterschiedlicher anliegender Drücke an den Kraftstoffaustrittsöffnungen zur selbsttätigen Entleerung der Kraftstoffleitungen,
    Fig. 6:
    eine schematische Darstellung des Entleerungsvorgangs stehenden Kraftstoffs für die Hauptstufe eines Magerbrenners mit Hilfe eines Wegeventils in Schaltstellung 1 (Kraftstoffdurchfluss durch die Kraftstoffleitung zur Kraftstoffaustrittsbohrung, und
    Fig. 7:
    eine Darstellung, analog Fig. 6, in Schaltstellung 2 zur Durchleitung von Spülluft durch einen Teil der Kraftstoffleitung.
  • Die Fig. 1 zeigt in schematischer Ausgestaltung ein Beispiel für den Stand der Technik. Dabei ist eine Kraftstoffdüse 1 vorgesehen, welche eine Brennerachse 4 umfasst und einer Brennkammer 2 zugeordnet ist, in welcher sich eine Brennkammerströmung 3 ergibt. Das Bezugszeichen 17 zeigt beispielhaft eine Pilotkraftstoffeinspritzung.
  • In Fig. 2 ist aus dem Stand der Technik ein Magerbrenner mit kontrollierter Kraftstoffinhomogenität für eine Hauptstufe eines Gasturbinenbrenners dargestellt. Der Magerbrenner umfasst einen inneren Drallerzeuger 11 sowie einen mittleren Drallerzeuger 12 und einen äußeren Drallerzeuger 13, welcher einem inneren Strömungskanal 14 sowie einem mittleren Strömungskanal 15 und einem äußeren Strömungskanal 16 zugeordnet sind. Das Bezugszeichen 17 zeigt eine Pilotkraftstoffeinspritzung, eine Hauptkraftstoffeinspritzung ist mit 18 bezeichnet. Weiterhin ist eine innere stromabseitige Oberfläche der Hauptkraftstoffeinspritzung (Filmleger) 19 vorgesehen. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet eine äußere Oberfläche der Hauptkraftstoffeinspritzung, deren Hinterkante mit 21 bezeichnet ist. Das Bezugszeichen 23 zeigt Kraftstoffaustrittsbohrungen der Hauptkraftstoffeinspritzung. Mit 24 ist ein Flammenstabilisator gezeigt. Weiterhin ist ein äußerer Brennerring 27 (dome) vorgesehen. Das Bezugszeichen 28 bezeichnet die innere Kontur des äußeren Brennerrings. Weiterhin sind eine Pilotkraftstoffzuführung 29 und eine Hauptkraftstoffzuführung 30 vorgesehen. Das Bezugszeichen 33 zeigt eine Austrittsfläche der Pilotkraftstoffeinspritzung, während das Bezugszeichen 34 eine Austrittskontur des inneren Schenkels des Flammenstabilisators zeigt.
  • Die Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung unterschiedliche Maßnahmen zur Aufprägung der unterschiedlichen statischen Drücke der Luftzuführung (Luftströmung) und zur Erzeugung von Druckdifferenzen. Hierdurch erfolgt eine Unterstützung des Spülvorgangs stehenden Kraftstoffs für die Hauptstufe eines Magerbrenners.
  • Gemäß Maßnahme A erfolgt eine Profilierung der Oberflächenkontur strömungsführender Bauteile vor den Kraftstoffaustrittsbohrungen 23, so dass sich unterschiedliche Drücke im Bereich der Kraftstoffaustrittsbohrungen 23 ergeben, die zu einem Entleeren (Leersaugen) der Kraftstoffleitungen führen.
  • Gemäß den schematisch dargestellten Maßnahmen B und C ist es möglich, die Ausbringungsorte und Anordnungen der Kraftstoffaustrittsbohrungen 23 so zu wählen, dass sich unterschiedliche statische Drücke ergeben. Gemäß Maßnahme C erfolgt eine gestaffelte Anordnung der Kraftstoffaustrittsbohrungen längs der Brennerachse 4.
  • Gemäß Maßnahme D ist es möglich, die Schaufelstellungen und/oder die Profilierungen des Luftdrallers (Luftdrallerzeugers 12) im mittleren Strömungskanal 15 zu ändern. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche Druckverhältnisse, die die einzelnen Kraftstoffaustrittsbohrungen unterschiedlich beaufschlagen und somit zu einem Unterdruck (Saugwirkung) führen.
  • Gemäß Maßnahme E ist es auch möglich, unterschiedliche Bohrungsdurchmesser der diskreten Kraftstoff-Eindüsung vorzusehen.
  • Die Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung das erfindungsgemäß vorgesehene Grundprinzip der Entleerung der Hauptkraftstoffleitungen durch eine Variation des anliegenden Druckes an den Kraftstoffaustrittsbohrungen 23. In Fig. 4 ist ein Beispiel dargestellt, bei welcher die Ausnutzung eines geringeren statischen Druckes für jede zweite, in der Figur mit I bezeichnete Kraftstoffaustrittsbohrung, welche alternierend zu Kraftstoffaustrittsbohrungen II vorgesehen sind.
  • Die Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung, bei welcher eine Staffelung der Kraftstoffaustrittsbohrungen 23 längs der Brennerachse 4 vorgesehen ist. Aus Fig. 5 ergeben sich die unterschiedlichen Druckverhältnisse bei Zuordnung der gestaffelten Kraftstoffaustrittsbohrungen 23 zu einer Kraftstoffleitung 5.
  • Die Fig. 6 und 7 zeigen jeweils die Verwendung eines Wegeventils 6 in der Kraftstoffleitung 5. Die Fig. 6 zeigt eine Schaltstellung des Wegeventils 6, bei welcher Kraftstoff durch die Kraftstoffleitung 5 in einen freien Bereich einer nachfolgenden Kraftstoffleitung 7, welche mit der Kraftstoffaustrittsbohrung 23 verbunden ist, geleitet wird. Eine Spülleitung 8 ist dabei außer Funktion.
  • Die Fig. 7 zeigt eine Schaltstellung des Wegeventils 6, in welcher Luft durch die Spülleitung 6 in die Kraftstoffleitung 7 und damit zur Kraftstoffaustrittsbohrung 23 geführt wird, während die Zufuhr von Kraftstoff durch die Kraftstoffleitung 5 unterbunden ist. Diese Maßnahme entspricht der Maßnahme E.
    • Es ist somit folgendes festzuhalten:
  • Die Lage der entsprechenden konstruktiven Maßnahmen für einen Brenner ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Maßnahmen können hierbei auf jeden beliebigen Brenner mit entsprechender diskreter Kraftstoffeindüsung übertragen werden, beispielhaft ist die Anwendung in Fig. 2 für einen bekannten Magerbrenner gezeigt.
  • Das Prinzip der Entleerung stehenden Kraftstoffs durch Ausnutzung unterschiedlicher statischer Drücke an den Bauteilen der Kraftstoffdüse bzw. einer gezielten lokalen Variation des statischen Druckes an den Kraftstoffaustrittsbohrungen ist in Fig. 3 dargestellt.
  • Ziel aller oben beschriebenen Maßnahmen ist es, die unterschiedlichen Ausbringungsorte für den Kraftstoff derart zu positionieren, dass einerseits verschiedene lokale statische Drücke der Luftströmung zur Entleerung stehenden Kraftstoffs genutzt werden können aber auch gleichzeitig eine optimierte Kraftstoff-Luft-Mischung zur Gewährleistung niedrigster Emissionen ermöglicht wird. Durch die unterschiedlichen statischen Drücke der Luft an der Oberfläche (Wanddrücke) ergibt sich, dass Luft in die eine Ausnehmung der Kraftstoffleitung eintritt und somit den Kraftstoff aus der anderen Ausnehmung spült oder herausfördert.
    • Maßnahme A - Profilierung der Oberflächenkontur vor den Kraftstoffaustrittsbohrungen und Maßnahme D - Anpassung der Schaufelstellung und -profilierung:
  • Über eine geeignete Gestaltung eines stromauf der Kraftstoff-eindüsung befindlichen strömungsbeaufschlagten Bauteils, z.B. mittels umfangsmäßiger Profilierung der Oberflächengeometrie durch eine Lamellenform, kann in Umfangsrichtung eine Variation des statischen Druckes erreicht werden. Durch eine gezielte Abstimmung der Oberflächenkonturierung mit der Anzahl und Position der Austrittsbohrungen kann bei einem Abschaltvorgang des Hauptkraftstoffs das dann anliegende Druckgefälle eine Entleerung des stehenden Kraftstoffs bewirken. Eine ähnliche Wirkung kann durch eine Anpassung der Umfangsvariation der Schaufelstellung von Luftdraller im Strömungskanal der Hauptstufe, insbesondere am äußeren Radius sowie durch Variation der Schaufelprofilierung, herbeigeführt werden.
    • Maßnahme B - Wahl geeigneter Ausbringungsorte für die Kraftstoffeindüsung unter Ausnutzung bereits vorhandener Variation statischer Drücke:
  • Eine weitere Möglichkeit zur Einstellung unterschiedlicher statischer Druckgefälle für die Kraftstoffbohrungen liegt in einer geeigneten Wahl der Ausbringungsorte auf der inneren Kontur der Hauptstufe. Hier wird das Vorhandensein einer durch die Aerodynamik des Brenners bereits vorhandenen statischen Druckverteilung ausgenutzt, um die untereinander verschalteten Kraftstoffaustrittsbohrungen in Gebiete hoher bzw. niedriger statischer Drücke zu positionieren und eine für die Entleerung des stehenden Kraftstoffs notweniges Druckdifferenz zu erzeugen (s. Fig. 4).
    • Maßnahme D - gestaffelte Anordnung der Kraftstoffaustrittsbohrungen:
  • Als weitere Maßnahme wird eine unterschiedliche Verschaltung der Kraftstoffleitungen von z.B. mehr als zwei Kraftstoffleitungen und/oder unterschiedlicher Positionierung von verschalteten Kraftstoffaustrittsbohrungen in axialer sowie Umfangsrichtung vorgeschlagen.
    • Maßnahme E - unterschiedliche Bohrungsdurchmesser der diskreten Eindüsung:
  • Weiterhin wird zur Einstellung unterschiedlicher Druckniveaus an den Kraftstoffaustrittsbohrungen vorgeschlagen, neben den oben beschriebenen Methoden unterschiedliche Bohrungsdurchmesser für verschaltete Kraftstoffleitungen vorzusehen, um ebenfalls mittels anliegender unterschiedlicher statischer Drücke eine selbsttätige Entleerung von Kraftstoff zu ermöglichen.
    • Maßnahme F - Wegeventil:
  • Eine andere Methode zur automatischen Entleerung ist die Integration eines Wegeventils mit z.B. zwei Schaltstellungen in den Brenner (s. Fig. 5). Im normalen Betrieb strömt der Hauptkraftstoff kontinuierlich durch das Wegeventil. Die Abschaltung des Kraftstoffs bewirkt eine Bewegung des Wegeventils in eine zweite Schaltstellung, in der der kontinuierliche Durchfluss des Kraftstoffs unterbrochen wird. Durch das Vorhandensein entsprechender Kanalgeometrien, die sich entweder im mittleren Luftkanal oder stromauf in dem Brennerarm befinden können, ergibt sich dann die Möglichkeit zur kontinuierlichen Durchströmung von Spülluft. Damit wird eine vollständige Entleerung der Kraftstoffleitungen sichergestellt. Sobald der Kraftstoff wieder zugeschaltet werden soll, bewirkt die Bewegung des Wegeventils in die Ausgangsstellung die Freigabe des anstehenden Kraftstoffs bei gleichzeitiger Versperrung des Spülluftkanals.
  • Erfindungsgemäß ergeben sich u.a. folgende Vorteile:
    • Vermeidung von Verkokungserscheinungen in den Kraftstoffkanälen von Brennern;
    • Verhinderung einer Verschlechterung der Betriebseigenschaften der Brennkammer bzw. des Triebwerks (hinsichtlich Emissionen, Schwingungsneigung, Temperaturprofil im Austritt der Brennkammer, Lebensdauer von Brennkammer und Turbine etc.).
    Bezugszeichenliste
    • 1
    Kraftstoffdüse
    2
    Brennkammer
    3
    Brennkammerströmung
    4
    Brennerachse
    5
    Kraftstoffleitung
    6
    Wegeventil
    7
    Kraftstoffleitung
    8
    Spülleitung
    11
    innerer Luftdrallerzeuger
    12
    mittlerer Luftdrallerzeuger
    13
    äußerer Luftdrallerzeuger
    14
    innerer Strömungskanal
    15
    mittlerer Strömungskanal
    16
    äußerer Strömungskanal
    17
    Pilotkraftstoffeinspritzung
    18
    Hauptkraftstoffeinspritzung
    19
    innere stromabseitige Oberfläche der Hauptkraftstoffeinspritzung, Filmleger
    20
    äußere Oberfläche der Hauptkraftstoffeinspritzung
    21
    Hinterkante der Hauptkraftstoffeinspritzung
    23
    Kraftstoffaustrittsbohrungen der Hauptkraftstoffeinspritzung
    24
    Flammenstabilisator
    27
    äußerer Brennerring (dome)
    28
    innere Kontur des äußeren Brennerrings
    29
    Pilotkraftstoffzuführung
    30
    Hauptkraftstoffzuführung
    31, 32
    33
    Austrittsfläche der Pilotkraftstoffeinspritzung
    34
    Austrittskontur des inneren Schenkels des Flammenstabilisators

Claims (13)

  1. Gasturbinenbrenner für eine Gasturbine mit einer Kraftstoffdüse (1), welche mit mehreren Kraftstoffaustrittsbohrungen (23) versehen ist, welche jeweils mit einer Kraftstoffleitung (5, 7, 29, 30) verbunden sind, durch welche selektiv Kraftstoff durchleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einzelnen Kraftstoffaustrittsbohrungen (23) unterschiedliche statische Drücke der Luftströmung zwischen Kraftstoffleitung mit Kraftstoffdurchfluss und Kraftstoffleitungen ohne Kraftstoffdurchfluss ausgebildet sind.
  2. Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen statischen Drücke durch Wahl unterschiedlicher Drücke in den Kraftstoffleitungen (5, 7, 29, 30) ausgebildet sind.
  3. Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkontur strömungsführender Bauteile vor den Kraftstoffaustrittsöffnungen (23) konturiert ausgebildet ist.
  4. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffaustrittsbohrungen (23) an Bereichen des Brenners mit unterschiedlichen statischen Drücken angeordnet sind.
  5. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffaustrittsbohrungen (23), bezogen auf eine Brennerachse (4), gestaffelt angeordnet sind.
  6. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Schaufeln eines Drallerzeugers (12) zur Erzeugung von Druckdifferenzen zwischen einzelnen Kraftstoffaustrittsbohrungen (23) ausgestaltet sind.
  7. Gasturbinenbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung der Schaufeln des Drallerzeugers zur Erzeugung von Druckdifferenzen zwischen einzelnen Kraftstoffaustrittsbohrungen (23) ausgestaltet ist.
  8. Gasturbinenbrenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung der Schaufeln des Drallerzeugers zur Erzeugung von Druckdifferenzen zwischen einzelnen Kraftstoffaustrittsbohrungen (23) ausgestaltet ist.
  9. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffaustrittsbohrungen (23) unterschiedliche Bohrungsdurchmesser aufweisen.
  10. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass selektive Kraftstoffleitungen (5, 7) über Einwegeventil (6) mit Spülluft beaufschlagbar sind.
  11. Verfahren zum Spülen von Kraftstoffleitungen (5, 7, 29, 30) und/oder Kraftstoffaustrittsbohrungen (23) eines Gasturbinenbrenners für eine Gasturbine mit einer Kraftstoffdüse (1), wobei einzelnen Kraftstoffaustrittsbohrungen (23) unterschiedliche statische Drücke auferlegt werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen statischen Drücke durch Wahl unterschiedlicher Drücke in den Kraftstoffleitungen (5, 7, 29, 30) ausgebildet werden.
  13. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoffleitungen (5, 7) mit Spülluft beaufschlagt werden.
EP09002943.0A 2008-03-18 2009-03-02 Brenner für Gasturbine mit Spülmechanismus für die Brennstoffdüse Withdrawn EP2103876A3 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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