DE10157856A1 - Magervormischbrenner für eine Gasturbine mit Zündhilfe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für eine Gasturbine, bei der zumindest ein Teil der Brennerwandung 1 beheizbar ausgebildet ist und/oder wobei am Austritt des Luftkanals ein Flammkranz angeordnet ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für eine Gasturbine.
• Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass bei Gasturbinen zur Verringerung von Schadstoffen sogenannte "Magervormischbrenner" eingeführt werden. Bei extrem magerer Verbrennung ergibt sich die Schwierigkeit, dass das Zünden der Brennkammern nur bei relativ fetter, nahezu stöchiometrischer Luft- Brennstoff-Mischung und vorgeheizter Verbrennungsluft möglich ist. Die Vorheizung muss beispielsweise auf Werte über 650 K erfolgen.
• Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Gasturbinen ist es nicht möglich, derartige LPP-Module (Magervormischbrenner) ohne Sondermaßnahmen zu zünden oder anzufahren, weder bei Flugtriebwerken noch bei Industriegasturbinen.
• Der Grund hierfür liegt darin, dass sich der Brennstoffnebel im Falle von geringer Lufttemperatur und geringem Luftdruck nur sehr schlecht verdampfen lässt, sodass, wie bereits erwähnt, ein fettes Gemisch erzeugt werden muss, um das Luft- Brennstoff-Gemisch überhaupt zünden zu können und um nach dem Zünden eine stabil brennende Flamme zu erhalten.
• Es erweist sich als ungünstig, dass sich ein Großteil des eingedüsten Brennstoffs während des Zünd- oder Anfahrvorganges in flüssiger Form auf die kalten Innenseiten der Flammrohre oder der Brennkammer ablagert. Dort verdampft der Brennstoff relativ langsam. Sobald ein zündfähiges Gemisch vorliegt, kann eine Zündung erfolgen. Hierbei kommt es zu einer raschen Verpuffung im Gasgemisch mit - je nach Flammrohrbauart - sich schnell ausbreitender Flamme. Begleitet wird dieser Vorgang von einer Druckwelle, die auch akkustisch außerhalb der Brennkammer wahrnehmbar sein kann.
• Diese impulshafte Druckwelle wirkt dem Brennstoffpumpendruck entgegen. Durch den kurzzeitig wirkenden erhöhten Gegendruck wird somit die Brennstoffzufuhr reduziert. Dies führt zu einer Abmagerung des Gemisches sowie zu einem sinkenden Brennkammerdruck, bis sich der Brennstoffeintrag wieder erhöht hat. Durch die mehrmalige Wiederholung dieses Prozesses ergibt sich eine abklingende Druckschwingung hoher Anfangsamplitude.
• Beim Stand der Technik ist es deshalb bekannt, bei mager vorgemischten Brennern (LPP) zusätzlich Stütz- oder Zündbrenner (Pilot-Brenner) zu verwenden. Diese Stütz- und/oder Zündbrenner werden dabei entweder in den Vormischbrenner integriert oder aber separat in einer sogenannten gestuften Brennkammer angeordnet.
• Der Nachteil derartiger gestufter Brennkammern besteht darin, dass diese geometrisch komplex ausgebildet sind, dass ein hoher Fertigungsaufwand erforderlich ist und dass sich eine sehr große zu kühlende Gesamtoberfläche der Brennkammerwandung ergibt. Es liegt somit bei den bekannten Konstruktionen stets eine Kombination zweier unterschiedlicher Brennertypen in einer Brennkammer vor.
• Ein weiterer, wesentlicher Nachteil besteht in der akkustischen Wahrnehmbarkeit der Druckwellen beim Zünden und Anfahren der Module. Es ergibt sich somit ein unerwünschter akkustischer Vorgang.
• Ein weiterer Nachteil der auftretenden stoßartigen Druckbelastungen beim Zünden liegt in einer Reduzierung der Bauteil-Lebensdauer, da diese Bauteile zusätzlichen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Brenner für eine Gasturbine zu schaffen, welche bei Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile die Zündung und das Anfahren bei extrem magerer Verbrennung ohne zusätzliche Stütz- oder Zündbrenner ermöglicht.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass in den Brenner eine Zündhilfe integriert ist.
• Diese Zündhilfe kann gemäß der Merkmalskombination des Anspruchs 1 in Form einer elektrischen Heizung ausgebildet sein.
• Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass zumindest die beim Zünden und Anfahren mit flüssigem Brennstoff benetzten Gehäusebereiche des Magervormischbrenners (LPP) entsprechend vorgeheizt werden können.
• Die Vorheizung kann erfindungsgemäß an der Außenseite des Brenners oder an deren Innenseite erfolgen. Weiterhin ist es möglich, die elektrische Beheizung in unterschiedlichster Weise auszuführenden, beispielsweise mittels Heizfolien oder Heizdrähten oder durch Ausführung dieses entsprechenden Gehäusebereichs als Heizelement (Heizstahl). Im letzteren Fall kann eine keramische Isolierung sowie eine Trenn-Nut vorgesehens ein.
• Die elektrische Heizung wird optimaler Weise so ausgelegt, dass die Brennstoffmenge, die zum Zünden benötigt wird, möglichst vollständig, aber mindestens so weit verdampft wird, dass die gewünschte Verbesserung im Zündverhalten erreicht wird.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass am Austritt des Luftkanals des Brenners ein Flammkranz integriert ist. Dieser Flammkranz des Magervormischbrenners wird ausschließlich zum Zünden und bis in den Anfahrprozess hinein betrieben. Erfindungsgemäß kann als Brennstoff entweder ein handelsübliches Brenngas (beispielsweise bei Industriegasturbinen) oder Flüssigbrennstoff, der in einem separaten, elektrisch betriebenen Kleingaserzeuger verdampft wurde.
• Der zusätzliche Flammkranz führt zu einer Erhöhung der Prozesstemperatur sowie zu einem besseren Verdampfen des Magergemisches.
• Erfindungsgemäß ist es selbstverständlich auch möglich, beide Maßnahmen zu kombinieren. Dabei wird zum Zünden mindestens 30% der Brennstoffmenge über den Flammkranz geführt. Bei einer Erhöhung des Gesamtbrennstoffeintrags wird die Leistung des Flammkranzes derart eingestellt, dass die Flammenstabilität erhalten bzw. gefördert wird. Ab einer vorgegebenen Mindestlast, die sich bei sicherer Feuerführung in der Brennkammer über die Vormischmagerbrenner ergibt, wird die Leistung des Flammkranzes zurückgefahren und abgestellt.
• Erfindungsgemäß wird somit erreicht, dass sich der Magervormischbrenner der erfindungsgemäßen Brennkammer ohne zusätzliche, separat oder integral angeordnete Zünd- und Stützbrenner bei üblichen Zünd- und Anfahrbedingungen aus kaltem Zustand zünden und anfahren lässt.
• Die erfindungsgemäße Lösung kann auch bei laufender Brennkammer eingesetzt werden, beispielsweise bei schwierigen Bedingungen, um den Betriebsbereich der Magervormischbrenner sicher in den Schwachlastbereich hinein zu erweitern und die Sicherheit gegen ein Verlöschen der Flamme zu steigern. Diese Maßnahme kann beispielsweise beim Landen von Flugzeugen mit Strahltriebwerken ergriffen werden.
• Erfindungsgemäß ergibt sich somit eine erhebliche Reduzierung der Zünddruckschwankungen, diese können gegebenenfalls vollständig vermieden werden, da bereits vor der Modulzündung eine stationäre Flamme vorhanden ist und/oder da ein aufbereitetes Gasgemisch anstelle eines Brennstoffnebels gezündet wird.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Brennkammer unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Brenners,
• Fig. 2 eine schematische Seiten-Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Magervormischbrenner für eine Gasturbine mit einer Gehäusebeheizung des Brenners durch Eigenwiderstand,
• Fig. 3 eine Ansicht, analog Fig. 1, mit einem Ausführungsbeispiel, bei welchem die strömungsabgewandte Seite des Gehäuses des Brenners durch Heizdraht oder Heizfolie beheizt wird, und
• Fig. 4 eine Ansicht analog den Fig. 1 oder 2, bei welchen die Strömungsoberfläche des Brenners durch eine Heizfolie beheizt wird.
• Auf die Beschreibung von Nebenaggregaten und ähnlichem kann an dieser Stelle verzichtet werden, da diese aus dem Stand der Technik bekannt sind.
• Die Fig. 1 zeigt in schematischer Seiten-Teilansicht eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Brennkammer mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Brenner. Zunächst ist mit dem Bezugszeichen 16 die Achse oder Mittellinie einer Gasturbine angegeben, während das Bezugszeichen 17 sich auf die Achse des Brenners bezieht. Die Fig. 1 zeigt ein äußeres Brennkammergehäuse 14, dem ein inneres Brennkammergehäuse 10 zugeordnet ist. In dem Brennkammergehäuse befindet sich die eigentliche Brennkammer, deren innere Brennkammerwand das Bezugszeichen 11 trägt, während die äußere Brennkammerwand mit 13 bezeichnet ist. Am Auslauf der Brennkammer ist schematisch ein Turbinenleitrad 12 dargestellt. Weiterhin zeigt die Fig. 1 einen Diffusor (Auslastdiffusor des Verdichters) 9. Der Magervormischbrenner, der erfindungsgemäß mit einer Zündhilfe ausgebildet ist, ist durch den Kreis mit der Bezugsziffer 15 markiert.
• Erfindungsgemäß ist eine Wand des Magervormischbrenners 1 mit einer im Einzelnen nicht detailliert dargestellten Heizung versehen.
• Es kann, wie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt, eine Gehäusebeheizung (Beheizung der Brennerwand 1) durch Eigenwiderstand des Materials erfolgen. In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem die strömungsabgewandte Seite der Brennerwand 1 mittels Heizdraht oder Heizfolie beheizt wird. Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Beheizung der Strömungsoberfläche der Brennerwand 1 durch eine zum Innenraum weisende Heizfolie oder Ähnliches erfolgt.
• Die Fig. 2 bis 4 zeigen zusätzlich im Einzelnen jeweils einen Strömungsteiler 2 sowie zugeordnete Drallerzeuger 3. Wie ersichtlich ist, kann auch der Strömungsteiler 2 an seinem in den Innenraum weisenden Verlängerungsbereich entsprechend beheizt werden, so wie dies schematisch in den Fig. 2 bis 4 dargestellt ist.
• Die Figuren zeigen weiterhin in schematischer Weise eine Kraftstoffzuführleitung 4, welche durch entsprechende Auslässe in den Innenraum des Brenners mündet. Mit dem Bezugszeichen 5 ist ein Innengehäuse bezeichnet. Das Bezugszeichen 6 beschreibt eine Brenngasrundleitung (Flammkranzrohr), welche ebenfalls über entsprechende Öffnungen mit dem Auslassbereich des Brenners verbunden ist, um auf diese Weise einen Flammkranz zu bilden. Die einzelnen Auslassröhrchen sind jeweils kranzförmig angeordnet. An ihrem Auslassbereich ist in schematischer Darstellung ein Zünddraht 8 dargestellt, der zur Zündung des durch die Brenngasrundleitung 6 bzw. durch deren Auslassröhrchen 7 ausströmenden Brenngases dient.
• Im Auslaufbereich des Brenners sind somit eine Vielzahl von Flammaustrittsöffnungen (Auslassröhrchen 7) vorgesehen, welche über ein Flammkranzrohr (Brenngasrundleitung 6) mit Brennstoff und/oder einem zündfähigen Gemisch versorgt werden.
• Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, vielmehr ergeben sich im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten. Bezugszeichenliste 1 Brennerwandung
  2 Strömungsteiler
  3 Drallerzeuger
  4 Kraftstoffzuführleitung
  5 Innengehäuse
  6 Brenngasrundleitung
  7 Auslassröhrchen
  8 Zünddraht
  9 Diffusor, Auslaßdiffusor des Verdichters
  10 Inneres Brennkammergehäuse
  11 Innere Brennkammerwand
  12 Turbinenleitrad
  13 Äußere Brennkammerwand
  14 Äußeres Brennkammergehäuse
  15 Magervormischbrenner mit Zündhilfe
  16 Achse der Gasturbine
  17 Achse des Brenners
  

Claims (9)

1. Brenner für eine Gasturbine, wobei zumindest ein Teil der Brennerwandung (1) beheizbar ausgebildet ist.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung elektrisch erfolgt.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung auf der Außenseite der Brennerwandung (1) angeordnet ist.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung auf der Innenseite der Brennerwandung (1) angeordnet ist.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung mittels Heizfolie erfolgt.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung mittels Heizdraht erfolgt.

7. Brenner für eine Gasturbine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Austritt des Luftkanals ein Flammkranz angeordnet ist.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammkranz mit Brenngas beaufschlagbar ist.

9. Brenner nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammkranz mit verdampftem Flüssigbrennstoff beaufschlagbar ist.