NO875122L - Brenneranordning. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en brenneranordning, spesielt beregnet for gasstubiner. Oppfinnelsen vedrører spesielt en brenneranordning med en hovedtil-førselskanal for en brensel-luftblanding som munner ut i et brennkammer, og som er forsynt med et dreielegeme samt en brenner1anse . En slik brenneranordning blir også betegnet forblandebrenner.

Ved gassturbiner blir det idag praktisk talt ute-lukkende benyttet diffusjonsbrennere. I forbindelse med bestrebelsene på å redusere emisjonen av skadelige stoffer har anvendelse av av forblandebrennere vært overveiet.

Til forskjell fra diffusjonsbrennere får ved forblandebrennere flammen i brennkammeret tilført en forbrennings-blanding med et enhetlig luftforholdstall. Luftforholdstallet \ er proporsjonal med kvotienten av forebren-ningsluftmengden og brenselmengden i forbrenningsblåndingen . Den er normert slik at Å = 1 tilsvarer en støkio-metrisk blanding. Foruten luftforholdstallet, lar også flammetemperaturen, som dannelsen av skadelige stoffer hovedsakelig avhenger av, seg kontrollere. Med forblandebrennere kan det oppnås spesielt lave Nox-verdier.

Et problem ved forbiandebrennere er imidlertid deres dårlige regulerbarhet. Ved et luftforholdstal1 på ca. X > 2,4 av forbrenningsblåndingen slukker flammen. For anvendelse i forbindelse med gassturbiner er reguleringsområdet for forbiandebrennere for lite. Gassturbiner for strømproduksjon må kunne drives over hele området fra full belastning til tomgang. Konsepter for løsning av reguleringsproblemet benytter ofte brennkamre med en flerhet forbiandebrennere, som kan inn- resp. ut-kobles trinnvis. Forbiandebrennere som kan benyttes innenfor rammen av disse konsepter må på den ene side garantere tilstrekkelig flammestabilitet og på den annen side sikre at det ved enhver dri ftsti1st and skjer en øyeblikkelig antennelse av flammen fra nabobrenneren.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveie-bringe en brenneranordning av den innledningsvis nevnte type, som, i motsetning til kjente brenneranordninger, har en så høy flammestabilitet at man kan bevege seg over hele reguleringsområdet i gassturbiner uten brennerutkobling og at den dessuten har god tverrtenningsevne.

Denne så vel som ytterligere formål blir ifølge oppfinnelsen løst ved en brenneranordning med de trekk som er angitt i krav 1. Ifølge oppfinnelsen oppviser altså brennerlansen, ved en brenneranordning av den innledningsvis nevne type på brennkammersiden, i forhold til dreielegemet, anordnede utløpsåpninger for brensel som er tilført i dens indre, eller for en i dens indre tilført eller dannet brenselrik brensel-luftblanding.

Foruten de ved oppfinnelsen oppnådde gode tverr-tenningsegenskaper, blir flammen ved hjelp av oppfinnelsen i tillegg stabilisert. Som en følge av denne stabili-seringseffekt kan brenneranordningens stabile driftsområde utvides til hittil uoppnåelige driftsområder med høyt luftoverskudd i forbrenningsblåndingen.

Fordelaktige utførelsesformer av oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige krav.

Ytterligere trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den følgende detaljerte beskrivelse i forbindelse med de vedføyede tegninger, hvor

fig. 1 viser snitt gjennom en brenneranordning med en brennerlanse utformet ifølge oppfinnelsen, og

fig. 2 viser et utsnitt av fig. 1, hvor brennerlansens hode er vist forstørret i forhold til fig. 1.

På fig . 1 er vist en avskåret del av et brennkammer 1, hvori en likeledes avskåret vist hovedtilfør-selkanal 2 for en brensel-luftblanding munner.

I hovedtilførselskanalen er det anordnet en brennerlanse 3 hvis hode 4 befinner sea nær .orennkammerets 1 innløp. Heller ikke brennerlansen 3 er vist i full lengde. Sett i str ørrn i r.gt ret.nir ge n , går brennerlansen 3 foran sitt hode hhv. hodeparti 4 gjennom et dreielegeme 5, som likeledes er anordnet i hovedtilførselskanalen.

Brensel-luftblandingen dannes, sett i strømnings-retningen, foran dreielegemet 5. Forbrenningsluften kom-mer fra venstre side på fig. 1 inn i rommet foran dreie legemet 5 (pilen 6). Brenselet tilføres brennerlansen 3 via en tilførselskanal 7 og sprøytes inn i det nevnte rom via dyser 8, hvor det blander seg med forbrenningsluften (pilen 9). Den viste brenneranordning er for så vidt, når unntas den i det følgende beskrevne spesielle utformning, en forbiandebrenner. Betinget av brenneranordningens geo-metri, danner det seg under dennes drift i brennerrommet 1, fritt i rommet, en dynamisk stabilisert hvirve1tilbake-strømningssone 10 (Vortex Breakdown).

Som allerede nevnt, lar en forbiandebrenner seg bare regulere innenfor meget snevre grenser. For å øke brenneranordningens reguleringsområde, og spesielt for å forhindre fullstendig slukning av flammen i brenneranordningens brennromm 1 under tomgang, er brennerlansen 3 utformet som følger: Den er på brennkammersiden, i forhold til dreielegemet 5, forsynt med ytterligere (med hensyn til dysene 8) utløpsåpninger for brensel som er tilført dens indre eller for en breselrikere brensel-luftblanding som er dannet i dens indre. "Brenselrikere" vedrører i denne forbindelse forb.renn.ingsblandingen , som blir dannet i hovedtilførselskanalen 2 i rommet foran dreielegemet 5.

Ved utførelsen ifølge oppfinnelsen av brennerlansen 3, blir det på dennes hode 4 utformet en hjelpebrenner resp. en vedlikeholdsbrermer.

Hjelpebrenneren er fortrinnsvis utført som diffu-sjonsbrenner og vedlikeholdsbrenneren som forbiandebrenner . Fortrinnsvis benyttes en kombinasjon av begge konsepter, som med hensyn til virkning har vist seg fordel-aktig på den i det følgende beskrevne ytterligere måte.

Brennerlansen 3 vist på figurene er utformet slik at det dannes såvel en hjelpebrenner som en vedlikeholds-brenner.

Til dannelse av hjelpebrenneren er det i brennerlansen 3 (med hensyn til tilførselskanalen 7) anordnet en ytterligere brenselkanal 11 som på brennerlansens hode 4 oppviser utad førende utløpsåpninger 12.

Til dannelse av vedlikeholdsbrenneren er det i brennerlansen 3 anordnet et forblandekammer 14, hvori såvel en kanal 15 for forbrenningsluft som den allerede nevnte brenselkanal 11 munner, og som oppviser mot brennkammeret 1 aksial trettede reserveåpninger 16. Forblandekammeret 14 er utformet som ringkammer. Utløpsåpningene 16 kan være jevnt fordelt over dets omkrets eller bestå av en ringspalte .

I forbiandekammeret 14 er brenselkanalens 11 ut-løpsåpninger 12 slik dimensjonert i forhold til sine munningsåpninger 17 at mellom 85% og 95% av det brensel som tilføres via brenselkanalen 11 trer ut gjennom disse, og tilsvarende bare mellom 5% og 15% trer inn i forblandekammeret 14 .

I forhold til brenselkanalens munningsåpning 17 i forblandekammeret 14, er tverrsnittet resp. munningsåpningen 18 av kanalen 15 i forbiandekammeret 14 for forbrenningsluft slik regulerbar hhv. dimensjonert at det i området som er viktig for hjelpebrennerens stabilisering, i forbiandekammeret 14 dannes en brensel-luftblanding med et luftforholdstall mellom 0,3 og 1,0. I forhold til luftforholdstallet i den brensel-luftblanding som innstiller seg i bunnen av brenneranordningens diffusjonsbrenner-del skal luftforholdstallet i den blanding som danner seg i forbiandekammeret være en faktor på 5 - 15 større.

Forbiandekammerets utløpsåpningene 16 er dimensjonert slik at strømningshastigheten av den utstrømmende blanding er større enn 25% av hastigheten av den strømning som trer inn i brennkammeret fra hovedtilførselskanalen 2.

På grunn av den valgte høye brenselandel i den brensel-luftblanding som strømmer fra forblandekammerets 14 aksiale utløpsåpninger 16 så vel som dens forholdsvis høye hastighet, er blandingen direkte på hodet 4 av brennerlansen 3 ikke brennbar. Den kan først antennes når den treffer hvirvel-tilbakestrømningssonen 10 ved hvis hjelp den avbremses. Derved dannes den av vedlikeholdsbrenneren understøttede flamme først på sikker avstand fra brennerlansens hode, hvorved også tilbakeslag av flammen, spesielt i forblandekammeret 14, er sikkert forhindret. Tilbakeslag i tilbakeføringskanalen 2 av flammen som understøttes av hjelpebrenneren kan forhindres ved at det mellom dreielegemet 5 og brennerlansen 3 avsettes en smal spalte 19 ved hvis hjelp det dannes et i vidtgående grad rotasjonsfritt strømningsskikt på brennerlansens overflate, fra dreielegemet 5 til brennkammeret 1. Til dannelse av spalten 19 er dreielegemet 5 forsynt med en sylindrisk ledeplate 20, som har større utstrekning i strømningsretningen enn dreielegemet 5. I spalteområdet er brenner1ansens 3 tverrsnitt fortrinnsvis noe redusert .

Brennerlansen 3 vist på figurene er hovedsakelig dannet av rør som er skjøvet inn i hverandre, og mellom hvilke de nevnte kanaler for forebrenningsluft og brensel er dannet.

Istedenfor å danne brensel-luftblandingen for vedlikeholdsbrenneren i et forbiandekammer i brennerlansens 3 hodet 4, kan denne naturligvis også dannes utenfor brennerlansen 3.

Tilførselen for brenselet og forbrenningsluften for hjelpebrenneren og vedlikeholdsbrenneren er fortrinnsvis utført regulerbar. Derved blir det mulig å strupe disse brennere (delbelastning) ved normal drift av brenner-anordningen, eller koble dem ut (full belastning), og først sette dem i drift vedøkning av luftforholdstallet i brensel-luftblåndingen som dannes i hovedtilførselskanalen 2 .

Denne igangsetning skjer fortrinnsvis når luftforholdstallet i brensel-luftblåndingen som er dannet i hovedtilførselskanalen 2 når en verdi som angir den kritiske grense for en ren forblandeforbrenning.

Ved hjelp av det brensel som trer ut av hjelpebrennerens utløpsåpninger 12 blir den brensel-luftblanding som strømmer fra hovedtilførselskanalen 2 inn i brennkammeret 1 anriket. I de med 13 betegnede soner av brennkammeret 1 oppnås derved, over et stort luftforholdstallområde av den i hovedtilførselskanalen 2 dannede brensel-luftblanding, en brennbar blanding og dermed en flamme.

Denne av hjelpebrenneren understøttede flamme blir nå på sin side understøttet og stabilisert ved hjelp av vedlikeholdsbrennerens flamme. Den blir derfor på fordel-aktig måte vedlikeholdt også når dens slukkegrense i og for seg er overskredet. Dette vil som regel være tilfel-let under brenneranordningens tomgang.

Luftmassestrømmene for vedlikeholdsbrenneren og massestrømningen ut av hovedtilførselskanalen 2 gjennom dreielegemet 5 kan velges slik at deres forhold er mindre enn 1:80. Den ytterligere emisjon av skadelige stoffer som forårsakes av vedlikeholdsbrenneren er så liten at den er neglisjerbar.

Claims (10)

1. Brenneranordning, spesielt for en gassturbin, med en i et brennkammer (1) munnende hovedtilførselskanal (2) for en brensel-luftblanding med et dreielegeme (5) og en brennerlanse (3) som går gjennom dreielegemet, karakterisert ved at brennerlansen på brennkammersiden, i forhold til dreielegemet, oppviser utlø psåpninger (12, 16) for brensel som er tilført dens indre, eller for en til dens indre tilført eller dannet brenselrik brensel-luf tblanding .

2. Brenneranordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det i det indre av brennerlansen (3) er anordnet en brenselkanal (11), hvorfra utløpsåpninger (12) i brennerlansens (3) hode (4), som de første av utløps-åpningene, fører radialt utad.

3. Brenneranordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det i brennerlansens (3) indre er anordnet en brenselkanal (11) og en kanal (15) for forbrenningsluft, at disse kanaler munner i et forbiandekammer (14) som er anordnet innvendig i brennerlansen, og at det fra dette forbiandekammer fører utløpsåpninger (16), som de andre av utløpsåpningene, utad aksialt til brennkammeret (1) .

4. Brenneranordning ifølge krav 3, karakterisert ved at forblandekammeret (14) er anordnet i brennerlansens (3) hode (4), at det er utformet som ringkammer, og at dets utløpsåpninger (16) er fordelt over dets omkrets.

5. Brenneranordning ifølge krav 2 og 3, karakterisert ved at brenselkanalen (11), hvorfra de første utløpsåpninger (12) fører radialt utad, er identisk med brennstoffkanalen (11) som munner ut i forblandekammeret (14) og at de første utløpsåpninger (12) er dimensjonert slik i forhold til munningsåpningen (17) i forbiandekammeret at mellom 85% og 95% av det tilførte brensel trer ut gjennom disse.

6. Brenneranordning ifølge et av kravene 3-5, karakterisert ved at tverrsnittene resp. munningsåpningene (17, 18) av brenselkanalen (11) og kanalen (15) for forebrenningsluften i forbiandekammeret (14) er slik dimensjonert eller innstillbar at det i forbi andekammeret innstiller seg en brensel-luftblanding med et luftforholdstall mellom 0,3 og 1,0.

7. Brenneranordning ifølge et av kravene 3-6, karakterisert ved at forbi andekarnmerets (14) utløpsåpninger (16) er dimensjonert slik at utstrøm-ningshastigheten av den blanding som strømmer ut fra disse er større enn 25% av strømningshastigheten av den strøm som strømmer fra hovedtilførselskanalen (2) inn i brennkammeret (1 ) .

8. Brenneranordning ifølge et av kravene 1-7, karakterisert ved at spalten (19) på den ene side begrenses av brennerlansens (3) overflate og på den annen side av en sylindrisk ledeplate (20), som samtidig danner den indre avslutning av dreielegemet (5), og at brennerlansens tverrsnitt er redusert i spalteområdet.

9. Brenneranordning ifølge krav 8, karakterisert ved at spalten (19) på den ene side begrenses av brennerlansens (3) overflate og på den annen side av en sylindrisk ledeplate (21), som samtidig danner den indre avslutning av dreielegemet (5), og at brennerlansens tverrsnitt er redusert i spalteområdet.

10. Brenneranordning ifølge et av kravene 1-9, karakterisert ved at tilførselen av brensel hhv. en brensel-luftblanding kan reguleres resp. avbrytes via brennerlansens (3) utløpsåpninger (12, 16).