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EP2103876A2 - Burner for gas turbine with scavenging mechanism for the fuel nozzles - Google Patents

Burner for gas turbine with scavenging mechanism for the fuel nozzles Download PDF

Info

Publication number
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
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
gas turbine
outlet holes
burner according
burner
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09002943A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP2103876A3 (en
Inventor
Thomas Dörr
Leif Rackwitz
Waldemar Lazik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG filed Critical Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Publication of EP2103876A2 publication Critical patent/EP2103876A2/en
Publication of EP2103876A3 publication Critical patent/EP2103876A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23DBURNERS
    • F23D2209/00Safety arrangements
    • F23D2209/30Purging

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

The burner has a fuel nozzle which is provided with multiple fuel outlets (23) that are connected with a fuel pipe through which selective fuel is conveyed. Different static pressures of air flow are formed between a fuel pipe with fuel flow and fuel pipes without fuel flow and between individual fuel outlets by selection of different pressures in the fuel pipes. The fuel outlets are arranged at regions of the burner with different static pressures. An air swirl device (12) is designed for producing differences of pressure between the individual fuel outlets. An independent claim is also included for a method for flushing fuel pipes and/or fuel outlets of a gas turbine burner.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasturbinenbrenner gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zum Spülen einer Brennstoffdüse.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.

Als allgemeiner Stand der Technik für einen Brenner für eine Fluggasturbine wird beispielsweise auf die US 6 543 235 B1 verwiesen.As a general state of the art for a burner for an aircraft gas turbine, for example, on the US Pat. No. 6,543,235 B1 directed.

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.To reduce the thermally induced nitrogen oxide emissions different concepts for fuel nozzles are known. One possibility is the operation of burners with a high air-fuel excess. Here, the principle is exploited that due to the lean mixture and at the same time ensuring sufficient spatial homogeneity of the fuel-air mixture, a reduction in the combustion temperatures and thus the thermally induced nitrogen oxides is favored.

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.In many such burners also an internal fuel staging is applied. This means that in addition to a designed for low NOx emissions main fuel injection in addition a pilot stage is integrated into the burner, which is operated with an increased fuel-air content and the stability of the combustion is to ensure a sufficient Brennkammerausbrand and ignition properties sufficient. The fuel for the main stage of such a lean burner can be introduced here as a closed film or by means of discrete fuel outlet holes as a multiple jet.

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.Particularly in the embodiments for discrete jet injections, there is a high risk due to the small bore diameter (usually D <1.0 mm) and the positioning of the fuel metering boreholes near components subjected to hot gas the fuel coking in the fuel outlet holes. The background to this is the process of thermal oxidation of the fuel, which starts with increasing heating of the fuel. From a fuel temperature of about 150 ° C and a corresponding temporal effectiveness of the thermal load, the incipient chemical processes can lead to a deposit formation.

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.The consequence of the formation of deposits is initially a change in the flow characteristics of the fuel in the affected fuel outlet holes due to an increased pressure drop. In addition, there may be a complete blockage of the fuel outlet holes. Both effects lead to a significant deterioration of the fuel-air mixture in the combustion chamber, associated with an increase in the emission values and a detrimental effect on the temperature distribution within the combustion chamber and the temperature traverse in the combustion chamber outlet. With a high deposit formation, the service life of the combustion chamber and of the turbine can thus be impaired.

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.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.

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.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.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombinationen der unabhängigen Ansprüche gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen.According to the invention the object is achieved by the combination of features of the independent claims, the subclaims show further advantageous embodiments of the inventions.

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.In order to avoid the risk of coking of the fuel in the fuel outlet holes, a flush mechanism for the shut-off fuel lines of a burner is proposed, which allows a complete automatic emptying of the fuel lines. By way of a corresponding interconnection of individual fuel lines to one another, 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.

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
To set different static discharge pressures in the fuel lines to support the emptying of the manifolds, fuel lines and / or fuel outlet holes, the following measures are proposed according to the invention:
  1. A. Profiling the surface contour of flow-leading components in front of the fuel outlet holes
  2. B. Choice of suitable application locations for the fuel injection with different static pressures of the air flow
  3. C. Staggered arrangement of the fuel outlet holes
  4. D. Adjusting the blade position, profiling for air swirlers
  5. E. Different bore diameter of the discrete injection
  6. F. Directional valve in the burner for air purge

Erfindungsgemäß sind auch Kombinationen der Maßnahmen A bis E möglich. Zusätzlich ist die Verwendung eines Wegeventils mit zwei Schaltstellungen vorteilhaft (Maßnahme F).Combinations of the measures A to E are also possible according to the invention. In addition, the use of a directional control valve with two switch positions is advantageous (measure 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.
In the following the invention will be described by means of embodiments in conjunction with the drawing. Showing:
Fig. 1:
a schematic representation of a burner for an aircraft gas turbine according to the prior art,
Fig. 2:
a schematic representation of main components for a lean burn burner with controlled fuel inhomogeneity according to the invention in the main stage,
3:
a schematic representation of the positioning of the inventively provided measures to support the purging of standing fuel for the main stage of a lean burn burner,
4:
a schematic partial view of the basic principle according to the invention of the emptying of main fuel lines by a variation of the applied pressure at the outlet openings of the fuel outlet holes,
Fig. 5:
a schematic representation of the staggering of the fuel outlet openings for exploiting different applied pressures at the fuel outlet openings for the automatic emptying of the fuel lines,
Fig. 6:
a schematic representation of the emptying process of stationary fuel for the main stage of a lean burn burner by means of a directional control valve in switching position 1 (fuel flow through the fuel line to the fuel outlet bore, and
Fig. 7:
a representation, analog Fig. 6 , in switch position 2 for the passage of purging air through a part of the fuel line.

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.The Fig. 1 shows a schematic embodiment of an example of the prior art. In this case, 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.

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.In Fig. 2 For example, 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. Furthermore, an outer burner ring 27 (dome) is provided. Reference numeral 28 denotes the inner contour of the outer burner ring. Furthermore, 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.

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.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. As a result, there is support for the purging process of stationary fuel for the main stage of a lean burn burner.

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.According to measure A, 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.

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.According to the measures B and C shown schematically, it is possible to choose the application locations and arrangements of the fuel outlet holes 23 so as to give different static pressures. In accordance with measure C, a staggered arrangement of the fuel outlet bores takes place along the burner axis 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.According to 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).

Gemäß Maßnahme E ist es auch möglich, unterschiedliche Bohrungsdurchmesser der diskreten Kraftstoff-Eindüsung vorzusehen.According to measure E, it is also possible to provide different bore diameter of the discrete fuel injection.

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.The 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. In 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.

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.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

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.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.

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.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.

Es ist somit folgendes festzuhalten:It is thus to be stated as follows:

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.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.

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.The principle of emptying standing fuel by utilizing different static pressures on the components of the fuel nozzle or a specific local variation of the static Pressure at the fuel outlet holes is in Fig. 3 shown.

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.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.

Maßnahme A - Profilierung der Oberflächenkontur vor den Kraftstoffaustrittsbohrungen und Maßnahme D - Anpassung der Schaufelstellung und -profilierung: Measure A - Profiling of the surface contour in front of the fuel outlet holes and measure D - Adjustment of the blade position and profile:

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.By suitable design of a flow-pressurized component upstream of the fuel injection, e.g. by means of circumferential profiling of the surface geometry by a lamella shape, a variation of the static pressure can be achieved in the circumferential direction. By 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.

Maßnahme B - Wahl geeigneter Ausbringungsorte für die Kraftstoffeindüsung unter Ausnutzung bereits vorhandener Variation statischer Drücke: Measure B - Selection of suitable application locations for the fuel injection, taking advantage of the already existing variation of static pressures:

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).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. Here, 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 ).

Maßnahme D - gestaffelte Anordnung der Kraftstoffaustrittsbohrungen: Measure D - staggered arrangement of the fuel outlet holes:

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.As a further measure, 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.

Maßnahme E - unterschiedliche Bohrungsdurchmesser der diskreten Eindüsung: Measure E - different bore diameters of the discrete injection:

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.Furthermore, it is proposed to set different pressure levels at the fuel outlet holes, in addition to the methods described above to provide different bore diameter for interconnected fuel lines to also allow by means of applied different static pressures an automatic emptying of fuel.

Maßnahme F - Wegeventil: Measure F - directional valve:

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.Another method for automatic emptying is the integration of a directional valve with eg two switching positions in the burner (s. Fig. 5 ). In normal operation, 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. As soon as the fuel is to be switched on again, 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.

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.).
According to the invention, the following advantages arise, inter alia:
  • Avoiding coking phenomena in the fuel channels of burners;
  • Prevention of deterioration of the combustion chamber or engine operating characteristics (in terms of emissions, vibration tendency, temperature profile at the outlet of the combustion chamber, service life of the combustion chamber and turbine, etc.).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Kraftstoffdüsefuel nozzle
22
Brennkammercombustion chamber
33
Brennkammerströmungcombustor flow
44
BrennerachseBrenner
55
KraftstoffleitungFuel line
66
Wegeventilway valve
77
KraftstoffleitungFuel line
88th
Spülleitungflushing line
1111
innerer Luftdrallerzeugerinner air swirl generator
1212
mittlerer Luftdrallerzeugermedium air swirl generator
1313
äußerer Luftdrallerzeugerouter air swirl generator
1414
innerer Strömungskanalinner flow channel
1515
mittlerer Strömungskanalmedium flow channel
1616
äußerer Strömungskanalouter flow channel
1717
PilotkraftstoffeinspritzungPilot fuel injection
1818
HauptkraftstoffeinspritzungMain fuel injection
1919
innere stromabseitige Oberfläche der Hauptkraftstoffeinspritzung, Filmlegerinner downstream surface of the main fuel injection, film layer
2020
äußere Oberfläche der Hauptkraftstoffeinspritzungouter surface of the main fuel injection
2121
Hinterkante der HauptkraftstoffeinspritzungTrailing edge of the main fuel injection
2323
Kraftstoffaustrittsbohrungen der HauptkraftstoffeinspritzungFuel outlet holes of the main fuel injection
2424
Flammenstabilisatorflame stabilizer
2727
äußerer Brennerring (dome)outer burner ring (dome)
2828
innere Kontur des äußeren Brennerringsinner contour of the outer burner ring
2929
PilotkraftstoffzuführungPilot fuel supply
3030
HauptkraftstoffzuführungMain fuel supply
31, 3231, 32
3333
Austrittsfläche der PilotkraftstoffeinspritzungExit surface of the pilot fuel injection
3434
Austrittskontur des inneren Schenkels des FlammenstabilisatorsOutlet contour of the inner leg of the flame stabilizer

Claims (13)

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.A gas turbine combustor for a gas turbine having a fuel nozzle (1) provided with a plurality of fuel discharge holes (23) each connected to a fuel line (5, 7, 29, 30) through which fuel is selectively passable, characterized in that between individual fuel outlet holes (23) are formed different static pressures of the air flow between the fuel line with fuel flow and fuel lines without fuel flow. Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen statischen Drücke durch Wahl unterschiedlicher Drücke in den Kraftstoffleitungen (5, 7, 29, 30) ausgebildet sind.Gas turbine burner according to claim 1, characterized in that the different static pressures by selecting different pressures in the fuel lines (5, 7, 29, 30) are formed. Gasturbinenbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkontur strömungsführender Bauteile vor den Kraftstoffaustrittsöffnungen (23) konturiert ausgebildet ist.Gas turbine burner according to claim 1 or 2, characterized in that the surface contour of flow-guiding components in front of the fuel outlet openings (23) is formed contoured. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffaustrittsbohrungen (23) an Bereichen des Brenners mit unterschiedlichen statischen Drücken angeordnet sind.Gas turbine burner according to one of claims 1 to 3, characterized in that the fuel outlet holes (23) are arranged at regions of the burner with different static pressures. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffaustrittsbohrungen (23), bezogen auf eine Brennerachse (4), gestaffelt angeordnet sind.Gas turbine burner according to one of claims 1 to 4, characterized in that the fuel outlet holes (23), relative to a burner axis (4), are arranged staggered. 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.Gas turbine burner according to one of claims 1 to 5, characterized in that blades of a swirl generator (12) are designed to generate pressure differences between individual fuel outlet holes (23). Gasturbinenbrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung der Schaufeln des Drallerzeugers zur Erzeugung von Druckdifferenzen zwischen einzelnen Kraftstoffaustrittsbohrungen (23) ausgestaltet ist.Gas turbine burner according to claim 6, characterized in that the position of the blades of the swirl generator for generating pressure differences between individual fuel outlet holes (23) is configured. 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.Gas turbine burner according to claim 6 or 7, characterized in that the profiling of the blades of the swirl generator for generating pressure differences between individual fuel outlet holes (23) is configured. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffaustrittsbohrungen (23) unterschiedliche Bohrungsdurchmesser aufweisen.Gas turbine burner according to one of claims 1 to 8, characterized in that the fuel outlet holes (23) have different bore diameters. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass selektive Kraftstoffleitungen (5, 7) über Einwegeventil (6) mit Spülluft beaufschlagbar sind.Gas turbine burner according to one of claims 1 to 9, characterized in that selective fuel lines (5, 7) via one-way valve (6) can be acted upon with purge air. 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.A method of purging fuel lines (5, 7, 29, 30) and / or fuel exit bores (23) of a gas turbine combustor for a gas turbine having a fuel nozzle (1), wherein different static pressures are imposed on individual fuel exit bores (23). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen statischen Drücke durch Wahl unterschiedlicher Drücke in den Kraftstoffleitungen (5, 7, 29, 30) ausgebildet werden.A method according to claim 11, characterized in that the different static pressures by selecting different pressures in the fuel lines (5, 7, 29, 30) are formed. Gasturbinenbrenner nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Kraftstoffleitungen (5, 7) mit Spülluft beaufschlagt werden.Gas turbine burner according to one of claims 11 or 12, characterized in that fuel lines (5, 7) are acted upon by scavenging air.
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