EP2196733A1

EP2196733A1 - Brennerlanze

Info

Publication number: EP2196733A1
Application number: EP08171526A
Authority: EP
Inventors: Marcus Fischer
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-16

Abstract

Es wird eine Brennerlanze (5) mit einer von einem Hitzeschild (33) umgebenen Lanzenspitze (28, 29) mit wenigstens einer Brennstoffdüse (7) zur Verfügung gestellt. Der Hitzeschild (33) ist mit Abstand von der Lanzenspitze (28, 29) angeordnet, so dass zwischen dem Hitzeschild (33) und der Lanzenspitze (28, 29) ein Strömungskanal (39) für ein Kühlfluid vorhanden ist. Am Ende der Lanzenspitze (28, 29) weist der Hitzeschild (33) wenigstens eine Ausströmöffnung (35) für das im Strömungskanal (39) befindliche Kühlfluid auf. Außerdem weist er wenigstens eine zur Ausströmöffnung (35) stromaufwärts gelegene und mit einer Kühlfluidzufuhr (3) verbundene Einströmöffnung (37) auf. Die Brennstoffdüse (5) ist in einem über die Oberfläche (27) der Lanzenspitze (28) vorstehenden Vorsprung (33) angeordnet, der an eine Öffnung (41) des Hitzeschildes (33) zumindest herangeführt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennerlanze, insbesondere eine Brennerlanze für einen Gasturbinenbrenner.
Derartige Brennlanzen kommen beispielsweise bei Brennern zum Einsatz, die sowohl mit flüssigem Brennstoff, als auch mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden können. In der Regel ist die Lanze zum Betrieb mit den flüssigen Brennstoffen, beispielsweise Öl, vorgesehen. Das Öl strömt durch die Lanze, tritt an ihrer Spitze durch mehrere Öldüsen aus und so der Verbrennung zugeführt. Die gasförmigen Brennstoffe werden dagegen häufig in einen die Düsenlanze umgebenden Luftzufuhrkanal eingedüst. Beim Betrieb mit gasförmigen Brennstoffen ist die Lanzenspitze daher in der Regel hohen Temperaturen im Bereich von ca. 800 bis 1.000°C ausgesetzt. Diese hohen Temperaturen können zu einer Verkokung von Rückständen flüssiger Brennstoffe in den Düsenöffnungen der Brennerlanze führen. Vor einem Umschalten des Brenners auf einen Betrieb mit einem flüssigen Brennstoff erfolgt daher eine Spülung der Brennstoffpassagen in der Brennerlanze mit einem Kühlwasser, um eventuelle Ablagerungen wegzuspülen. Die Temperatur des Kühlwassers beträgt jedoch nur ca. 25°C, was zu einem Thermoschock in der Spitze der heißen Brennerlanze führt. Dabei bilden sich hohe Temperaturgradienten aus, so dass es insbesondere im Bereich der Düsen der Brennerlanze zu erheblichen Thermospannungen kommen kann. Durch das wiederholte Auftreten solcher Thermospannungen kann es zu Rissen im Bereich der Lanzenspitze kommen, wodurch die Startzahlen und somit die Lebensdauer der Brennstoffdüse verringert werden. In US 7,325,402 ist daher vorgeschlagen, ein Hitzeschild an der Spitze einer mit Gasdüsen ausgestatteten Gasdüsen Pilotlanze mit Gasdüsen anzuordnen.
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennerlanze für die Verwendung in einem Brenner, insbesondere in einem Gasturbinenbrenner, zur Verfügung zu stellen, welche die genannten Nachteile zu überwinden hilft. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen vorteilhaften Brenner, insbesondere einen Gasturbinenbrenner, zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch eine Brennerlanze nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch einen Brenner nach Anspruch 9. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Brennerlanze umfasst eine von einem Hitzeschild umgebene Lanzenspitze mit wenigstens einer Brennstoffdüse. Der Hitzeschild ist mit Abstand von der Lanzenspitze angeordnet, so dass zwischen dem Hitzeschild und der Lanzenspitze ein Strömungskanal für ein Kühlfluid vorhanden ist. Am Ende der Lanzenspitze weist der Hitzeschild wenigstens eine Ausströmöffnung für das im Strömungskanal befindliche Kühlfluid auf. Weiterhin weist der Hitzeschild wenigstens eine zur Ausströmöffnung stromaufwärts gelegene und mit einer Kühlfluidzufuhr verbundene Einströmöffnung auf. Die Brennstoffdüse ist in der erfindungsgemäßen Brennerlanze in einem über die Oberfläche der Lanzenspitze vorstehenden Vorsprung angeordnet, der an eine Öffnung des Hitzeschildes zumindest herangeführt ist und der insbesondere in die Öffnung des Hitzeschildes hineinragen kann.
Das zumindest Heranführen des Vorsprungs an die Öffnung im Hitzeschild ermöglicht es, den Hitzeschild nicht nut in Verbindung mit Gasdüsen, sondern insbesondere auch in Verbindung mit Zerstäubungsdüsen für flüssige Brennstoffe zu verwenden. Das Heranführen der Düsenöffnungen ermöglicht es, den flüssigen Brennstoff zu zerstäuben, ohne dass das entsprechende Aerosol im Bereich der Öffnung auf den Hitzeschild auftrifft. Insbesondere dann, wenn der Vorsprung sogar in die Öffnung hineingeführt ist, kann ein Auftreffen von Brennstoff-Aerosol auf den Hitzeschild weitgehend ausgeschlossen werden. Durch das Vermeiden des Auftreffens von Brennstoff auf den Hitzeschild lassen sich Verkokungen am Hitzeschild vermeiden, die einerseits den Strömungsquerschnitt des Kühlfluidkanals im Hitzeschild verringern könnten, was die Kühlleistung negativ beeinträchtigen würde. Solche Verkokungen würden unter Umständen das Spülen der Kühlfluidkanäle notwendig machen, womit die Eingangs beschriebenen mit dem Thermoschock verbundenen Schwierigkeiten lediglich von der Düsenspitze in den Hitzeschild verlagert wären. Durch das Heranführen der Düsenöffnungen an die Öffnung im Hitzeschild lassen sich diese Schwierigkeiten vermeiden, wodurch das in US 7,325,402 beschriebene Hitzeschildkonzept auch für Brennerlanzen zum Eindüsen von flüssigen Brennstoffen zur Anwendung kommen kann.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Vorsprung, in dem die mindestens eine Brennstoffdüse angeordnet ist, eine Umfangsfläche und die Öffnung im Hitzeschild einen Rand aufweisen, zwischen denen ein Spalt vorhanden ist. Der Spalt führt zu einer thermischen Entkopplung des Hitzeschildes von dem Vorsprung, so dass ein Übertragen der Wärme aus dem Hitzeschild auf den Düsenvorsprung vermieden werden kann. Gleichzeitig stellt der Spalt eine Austrittsöffnung für das Kühlfluid dar, so dass ein Eindringen von heißen Verbrennungsgasen in den Spalt nicht stattfindet. Zudem kühlt das durch den Spalt ausströmende Kühlfluid den Düsenvorsprung, so dass dessen Temperatur in einem moderaten Bereich gehalten wird. Besonders vorteilhaft ist diese Weiterbildung der Brennerlanze, wenn der Spalt die Umfangfläche des Vorsprungs vollständig umgibt, weil dann eine gleichmäßige Wirkung über den gesamten Umfang des Düsenkörpers besteht.
Der Vorsprung kann insbesondere von einem die Brennstoffdüse enthaltenden Düsenkörper gebildet sein, der in eine an die Form des Düsenkörpers angepasste Aussparung in der Lanzenspitze eingesetzt ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Düsenkörper auszutauschen, falls trotz der thermischen Entkopplung vom Hitzeschild und der Kühlung thermisch bedingte Schäden am Vorsprung auftreten. Aber auch ein Austauschen aufgrund anderer Ursachen, beispielsweise um ein anderes Zerstäubungsprofil zu realisieren, ist möglich.
Die Einströmöffnung für das Kühlfluid kann vorteilhafter weise in einer Umfangsfläche des Hitzeschildes angeordnet sein. Dadurch wird ein Fixieren des Hitzeschildes über seinen kompletten Umfang an seinem von der Lanzenspitze abgewandten Ende am Lanzenkörper möglich, was die Stabilität der Anordnung erhöht.
Ein erfindungsgemäßer Brenner ist mit einer erfindungsgemäßen Brennerlanze ausgestattet. Die Brennerlanze kann hierbei insbesondere zur Zufuhr eines flüssigen Brennstoffes Verwendung finden. Zusätzlich zur Brennerlanze kann der Brenner dann auch mit Brennstoffdüsen für gasförmige Brennstoffe ausgestattet sein.
Obwohl die erfindungsgemäße Brennerlanze und der erfindungsgemäße Brenner insbesondere vorteilhaft sind, wenn durch die Brennerlanze ein flüssiger Brennstoff zugeführt wird, können auch Brennerlanzen zur Zufuhr von gasförmigen Brennstoffen entsprechend der erfindungsgemäßen Brennerlanze ausgebildet sein, wobei die Brennstoffdüse dann keine Zerstäubungsdüse ist.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Brennerlanze im erfindungsgemäßen Brenner führt aufgrund der erhöhten Lebensdauer der Brennerlanze dazu, dass die Wartungsintervalle für einen solchen Brenner verlängert werden können, was die Betriebskosten senkt.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Brenner mit einer erfindungsgemäßen Brennerlanze in einer geschnittenen Darstellung.
Fig. 2 zeigt die Brennerlanze des Brenners aus Fig. 1 in einer Ansicht auf ihre Vorderseite..
Als ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Brenner ist in Fig. 1 ein Gasturbinenbrenner schematisch dargestellt. Dieser weist einen von einer im Wesentlichen zylinderförmigen Wand 1 begrenzten Luftzufuhrkanal 3 auf, in dessen Zentrum eine Brennerlanze 5 verläuft. An der Spitze der Brennerlanze sind Brennstoffdüsen 7 zum Eindüsen eines Brennstoffes in die durch den Luftzufuhrkanal 3 zugeführte Luft vorhanden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Brennerlanze 5 eine Öllanze zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffes. Die Verteilung der Brennstoffdüsen 7 über den Umfang der Spitze ist in Figur 2 zu erkennen, die eine Ansicht auf die Vorderseite der Spitze darstellt.
Neben der Brennerlanze 5 umfasst der Brenner ein zweites Brennstoffzufuhrsystem 9, welches eine axiale Durchführung 11 besitzt, durch die die Brennerlanze 5 hindurchgeführt ist, so dass lediglich der Endabschnitt 13 der Brennerlanze 5 aus dem Brennstoffzufuhrsystem 9 herausragt. Das Brennstoffzufuhrsystem 9 ist mit Drallschaufeln 15 verbunden, die sich am abströmseitigen Ende des Brennstoffzufuhrsystems 9 befinden und sich durch den Luftzufuhrkanal 3 erstrecken. Mittels Brennstoffzufuhrkanälen 17 wird ein Brennstoff, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein gasförmiger Brennstoff, in die Drallschaufeln 15 geleitet, von wo er durch Düsenöffnungen 19 in die durch den Luftzufuhrkanal 3 strömende Luft eingedüst wird.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Brenner handelt es sich um einen sogenannten "Dual Fuel Brenners", also einen Brenner, der sowohl mit gasförmigen Brennstoffen, als auch mit flüssigen Brennstoffen betrieben werden kann. Die Erfindung kann jedoch grundsätzlich auch im Rahmen von Brennern realisiert werden, in denen sowohl durch das Brennstoffzufuhrsystem 9, als auch durch die Brennerlanze 5 jeweils ein Brennstoff im selben Aggregatzustand zugeführt wird, also beispielsweise im Rahmen eines Brenners, in dem sowohl durch das Brennstoffzufuhrsystem 9, als auch durch die Brennerlanze 5 jeweils ein gasförmiger Brennstoff zugeführt wird. Beispielsweise kann dann die Brennerlanze 5 als Pilotbrenner Verwendung finden.
Die Brennstoffdüse 7 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine Zerstäubungsdüse ausgeführt, welcher über einen Zufuhrkanal für flüssige Brennstoffe 21 ein zu zerstäubender flüssiger Brennstoff zugeführt wird. Die Düse 7 ist Teil eines Düsenkörpers 23, der in eine Aufnahme 25 im Körper der Brennerlanze 5 eingesetzt ist, die sich im Bereich einer kegelstumpfförmigen Fläche 27 befindet. Die kegelförmige Fläche 27 bildet im wesentlichen die Spitze der Brennerlanze 5.
An die kegelstumpfförmige Spitze 20 schließt sich eine im wesentlichen zylindrischer Abschnitt 29 an, über dessen Umfang sich ein ringförmiger Wulst 31 erstreckt. An diesem ist ein Hitzeschild 33 befestigt, beispielsweise mittels einer Schweiß- oder Hartlötverbindung, das sich vom Wulst 31 ausgehend über den vorderen Teil des zylindrischen Abschnitts 29 und über die Mantelfläche 27 des kegelstumpfförmigen Abschnitts 28 erstreckt. Das vom Wulst 31 entfernte Ende des Hitzeschildes weiset eine zentrale Öffnung 35 auf. Außerdem sind im Bereich des zylindrischen Abschnitts 29 der Brennerlanze 5 über den Umfang des Hitzeschildes 33 verteilt mehrere Öffnungen 37 - im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Öffnungen - vorhanden, die Einströmöffnungen für Kühlluft darstellen. Die Einströmöffnungen 37 sind entsprechend der Verteilung der Brennstoffdüsen 7 um den Umfang des kegelstumpfförmigen Abschnitts um den Umfang des zwischen dem Wulst 31 und dem kegelstumpfförmigen Abschnitt gelegenen zylinderförmigen Teils des Hitzeschildes 33 verteilt, so dass durch die Öffnungen 37 einströmende Kühlluft ohne eine Ablenkung aus ihrer axialen Strömungsrichtung zu den Düsenkörpern gelangen kann.
Zwischen dem Hitzeschild 33 einerseits und der Mantelfläche 27 der kegelstumpfförmigen Spitze 28 sowie der bis zum Wulst 31 reichenden Mantelfläche des zylinderförmigen Abschnittes andererseits ist ein Kühlluftkanal 39 gebildet. Dieser wird durch die Öffnung 37 mit Kühlluft versorgt die aus dem Luftzufuhrkanal 3 stammt. Die Kühlluft strömt dann in den Kühlluftkanal 39 ein, umströmt den Düsenkörper 23 und tritt schließlich durch die zentrale Öffnung 35, welche die Hauptaustrittsöffnung für die Kühlluft bildet, in die Brennkammer aus. Daneben weist der Hitzeschild 33 weitere Öffnungen 41 auf, in welche die Düsenkörper 23 der Brennstoffdüsen 7 hineinragen. Die Abmessungen der weiteren Öffnungen 41 sind so gewählt, dass die Umfangsflächen 43 der Düsenkörper einen Abstand vom Rand 45 der Öffnungen 41 aufweisen. Auf diese Weise verbleibt ein Spalt 47 zwischen dem Düsenkörper 23 und dem Hitzeschild 33 (am besten erkennbar in Figur 2). Dieser Spalt ermöglicht das Ausströmen eines Teils der durch den Kühlluftkanal 39 strömenden Kühlluft. Die durch den Spalt 47 ausströmende Kühlluft kühlt dabei denjenigen Teil der Umfangsfläche 43 des Düsenkörpers 23, der in die Öffnung 41 hineinragt. Der übrige, sich im Kühlluftkanal 39 befindliche Teil dieser Umfangsfläche 43 wird vom Hauptkühlluftstrom, der um den Düsenkörper 23 herum zur zentralen Austrittsöffnung 35 strömt, gekühlt.
Neben der Möglichkeit, Kühlluft durch den Spalt 47 zwischen der Umfangsfläche 43 des Düsenkörpers 23 und dem Rand 45 der Öffnung 41 austreten zu lassen, ermöglicht der Spalt 47 auch eine thermische Entkopplung des Düsenkörpers 23 vom Hitzeschild 33, da kein direkter wärmeleitender Kontakt zwischen beiden besteht.
Aufgrund der Tatsache, dass der Düsenkörper 23 in die Öffnung 41 hineinragt, besteht beim Eindüsen eines flüssigen Brennstoffs durch eine in der Stirnfläche 49 angeordnete Düsenöffnung 51 selbst bei einem Spritzkegel mit großem Öffnungswinkel nicht das Risiko, dass Tröpfchen des zerstäubten Brennstoffes auf das Material des Hitzeschildes 33 auftreffen. Außerdem können bei der dargestellten Geometrie keine Tröpfchen durch den im Kühlluftkanal 39 strömenden Kühlluftstrom in Richtung auf den Hitzeschild mitgerissen werden. Schließlich sorgt auch die durch den Spalt 47 austretende Kühlluft dafür, dass Tröpfchen, die sich grundsätzlich auf einer Bahn befinden, die ein Auftreffen auf den Rand 45 der Öffnung 41 ermöglichen würden, durch den Luftstrom mitgerissen werden, so dass der Hitzeschild 33 zuverlässig vor einer Verunreinigung und einer damit einhergehenden möglichen Verkokung geschützt ist.

Claims

Brennerlanze (5) mit einer von einem Hitzeschild (33) umgebenen Lanzenspitze (28, 29) mit wenigstens einer Brennstoffdüse (7), wobei der Hitzeschild (33) mit Abstand von der Lanzenspitze (28, 29) angeordnet ist, so dass zwischen dem Hitzeschild (33) und der Lanzenspitze (28, 29) ein Strömungskanal (39) für ein Kühlfluid vorhanden ist und wobei der Hitzeschild (33) am Ende der Lanzenspitze (28, 29) wenigstens eine Ausströmöffnung (35) für das im Strömungskanal (39) befindliche Kühlfluid und wenigstens eine zur Ausströmöffnung (35) stromaufwärts gelegene und mit einer Kühlfluidzufuhr (3) verbundene Einströmöffnung (37) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennstoffdüse (5) in einem über die Oberfläche (27) der Lanzenspitze (28) vorstehenden Vorsprung (33) angeordnet ist, der an eine Öffnung (41) des Hitzeschildes (33) zumindest herangeführt ist.
Brennerlanze (5) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Vorsprung (23) in die Öffnung (41) des Hitzeschildes (33) hineinragt.
Brennerlanze (5) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Vorsprung (23) eine Umfangsfläche (43) und die Öffnung (41) im Hitzeschild einen Rand (45) aufweisen, zwischen denen ein Spalt (47) vorhanden ist.
Brennerlanze (5) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spalt (47) die Umfangsfläche (43) des Vorsprungs (23) vollständig umgibt.
Brennerlanze (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Vorsprung von einem eine Düsenöffnung (51) enthaltenden Düsenkörper (23) gebildet ist, der in eine an die Form des Düsenkörpers (23) angepasste Aussparung (25) in der Lanzenspitze eingesetzt ist.
Brennerlanze (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einströmöffnung (37) in einer Umfangsfläche des Hitzeschildes (33) angeordnet ist.
Brennerlanze (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere Einströmöffnungen (37) vorhanden sind, die gleichmäßig um den Umfang des Hitzeschildes (33) verteilt sind.
Brennerlanze (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennstoffdüse (7) eine Zerstäubungsdüse ist.
Brenner, insbesondere Gasturbinenbrenner, mit einer Brennerlanze (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Brenner nach Anspruch 9, in welchem die Brennerlanze (5) zur Zufuhr eines flüssigen Brennstoffes Verwendung findet und welcher zusätzlich zur Brennerlanze Brennstoffdüsen (19) für gasförmige Brennstoffe aufweist.