Brennstofflanze für einen Brenner

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennerlanze, bspw. für einen Gasturbinenbrenner, und insbesondere eine Brenn ^¬ stofflanze für flussige Brennstoffe.

Derartige Brennstofflanzen kommen beispielsweise bei Brennern zum Einsatz, die sowohl mit flussigem Brennstoff, als auch mit gasformigem Brennstoff betrieben werden können. In der Regel ist die Lanze zum Betrieb mit den flussigen Brennstoffen, beispielsweise Ol, vorgesehen. Das Ol strömt dann durch die Lanze und tritt an ihrer Spitze durch Oldusen in eine Brennkammer aus. Nach dem Austritt aus der Düse wird das Ol in der Brennkammer, in die auch Verdichterluft eingebracht wird, verbrannt. Gasformige Brennstoffe werden dagegen häufig in einen die Dusenlanze umgebenden Luftzufuhrkanal emgedust und dort mit Verdichterluft gemischt, bevor das Gemisch in die Brennkammer eingebracht wird.

Beim Betrieb mit gasformigen Brennstoffen ist die Lanzenspitze wegen der nahen Flamme in der Regel hohen Temperaturen im Bereich von bis zu ca. 1.000 ⁰ C ausgesetzt. Diese hohen Tempe- raturen können zu einer Verkokung von Ruckstanden flussiger Brennstoffe m der Dusenlanze fuhren. Vor einem Umschalten des Brenners auf einen Betrieb mit einem flussigen Brennstoff erfolgt daher in der Regel eine Spulung der Brennstoffpassagen in der Brennstofflanze mit einem Kuhlwasser, um eventuel- Ie Ablagerungen wegzuspülen. Die Temperatur des Kuhlwassers betragt jedoch nur ca. 25°C, was zu einem Thermoschock in der heißen Brennstofflanze fuhren kann. Dabei bilden sich im Bereich der Düsen hohe Temperaturgradienten aus, so dass erhebliche Thermospannungen in der Lanzenspitze auftreten können. Durch das wiederholte Auftreten solcher Thermospannungen kann es zu Rissen im Bereich der Düsen kommen, wodurch die Startzahlen und somit die Lebensdauer der Brennstoffduse verringert werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Brenn ^¬ stofflanze für die Verwendung in einem Brenner, insbesondere in einem Gasturbinenbrenner, zur Verfugung zu stellen, welche die genannten Nachteile zu überwinden hilft. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen vorteilhaften Brennen, insbesondere einen Gasturbinenbrenner, zur Verfugung zu stellen .

Die erste Aufgabe wird durch eine Brennstofflanze für einen Brenner, insbesondere für einen Gasturbinenbrenner, nach Anspruch 1 gelost, die zweite Aufgabe durch einen Brenner, insbesondere einen Gasturbinenbrenner nach Anspruch 8. Die abhangigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Eine Brennerstofflanze für einen Brenner, insbesondere für einen Gasturbinenbrenner, umfasst eine Spitze, welche eine Dusenflache mit wenigstens zwei Brennstoffdusen aufweist. Die Dusenflache ist zwischen den Brennstoffdusen mit Schlitzen versehen. Sie kann insbesondere als Ringflache ausgebildet sein, etwa als konische Ringflache, wobei die Schlitze senk ^¬ recht zur Umfangsπchtung der Ringflache durch diese verlau ^¬ fen .

Die Schlitze in der Dusenflache erlauben der Lanzenspitze das Abbauen thermischer Spannungen durch freie Verformung, so das thermische Gradienten die Brennstofflanze weniger belasten. Die Schlitze haben keinen wesentlichen aerodynamischen Em- fluss auf die an der Brennstofflanze entlang stromende Luft oder auf Brennstoff, der durch die Brennstoffdusen in den Luftstrom emgedust wird. Die Schlitze bedeuten auch lediglich eine geringfügige Modifikation der Brennstofflanze, die zudem mit sehr geringem Aufwand vorgenommen werden kann. Da- her können bestehende Brennstofflanzen mit geringem Aufwand nachgerustet werden, wodurch sich die möglichen Startzahlen und die Lebensdauer dieser Brennstofflanze erhohen. In der Spitze können Kuhlluftkanale vorhanden sein, die zwi ^¬ schen den Brennstoffdusen unterhalb der Dusenflache verlau ^¬ fen. Beispielsweise mittels durch die Kuhlfluidkanale hin- durchgeleiteter Verdichterluft kann die Spitze der Brenn- stofflanze wahrend des Betriebs des Brenners gekühlt werden, um die Temperatur der Spitze so gering wie möglich zu halten, und so das Auftreten von Thermospannungen wahrend des Spulens der Brennstofflanze weiter zu vermindern. Die Schlitze reichen dann idealerweise von der Dusenflache bis zu dem ]ewei- Iigern Kuhlfluidkanal . Mit anderen Worten, die Schlitze bilden Durchgangsoffnungen von der Dusenflache bis zum Kuhlfluidka- nal. Diese Ausgestaltung erlaubt eine besonderes hohe Flexibilität der entsprechenden Materialbereiche zum Abbau von Thermospannungen .

Wenn die Ringflache eine konische Ringflache ist, kann die Spitze der Brennstofflanze die Form eines Kegelstumpfes besitzen. In diesem Fall bildet die Mantelflache des Kegel ^¬ stumpfes die Dusenflache, und die Kuhlfluidkanale weisen zu- mindest zur Deckflache des Kegelstumpfes hin offene Austrittoffnungen auf. Alternativ oder zusätzlich zu den erwähnten Austrittsoffnungen können um die Brennstoffdusen herum Durchgangsoffnungen vorhanden sein, die mit den Luftzufuhrkanalen in stromungstechnischer Verbindung stehen. Durch diese Off- nungen austretende Verdichterluft kann dann dazu Verwendung finden, die Spitze der Lanze insbesondere im Bereich der zu spulenden Dusen zu kühlen. Beim Vorhandensein solcher Durch ^¬ gangsoffnungen kann zwischen den Durchgangsoffnungen benachbarter Brennstoffdusen insbesondere jeweils ein Schlitz ange- ordnet sein.

Em erfmdungsgemaßer Brenner, der insbesondere ein Gasturbi- nenbrenner sein kann, ist mit einer erfmdungsgemaßen Brennstofflanze ausgestattet. Die Brennstofflanze kann hierbei zur Zufuhr eines flussigen Brennstoffes Verwendung finden, wobei zusatzlich zur Brennstofflanze Brennstoffdusen für gasformige Brennstoffe vorhanden sein können. Die Verwendung der erfindungsgemaßen Brennstofflanze im er- findungsgemaßen Brenner fuhrt aufgrund der erhöhten Lebens ^¬ dauer der Brennstofflanze 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 Ausfuhrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegen- den Figuren.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemaßen Brenner in einer geschnittenen Darstellung.

Fig. 2 zeigt die Spitze der Dusenlanze des erfindungsgemaßen Brenners in Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung.

Fig. 3 zeigt die Spitze aus Fig. 2 in einer Ansicht auf ihre Vorderseite .

Als ein Ausfuhrungsbeispiel für einen erfindungsgemaßen Brenner ist in Fig. 1 ein Gasturbinenbrenner dargestellt. Dieser weist einen von einer im Wesentlichen zylinderförmigen Wand 1 begrenzten Luftzufuhrkanal 3 auf, in dessen Zentrum eine Brennstofflanze 5 verlauft. An der Spitze der Brennstofflanze sind Brennstoffdusen 7 zum Eindusen eines Brennstoffes in die durch den Luftzufuhrkanal 3 zugefuhrte Luft vorhanden. Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel ist die Brennstofflanze 5 eine Ollanze zum Zufuhren eines flussigen Brennstoffes.

Neben der Brennstofflanze umfasst der Brenner ein zweites Brennstoffzufuhrsystem 9, welches eine axiale Durchfuhrung 11 besitzt, durch die die Brennstofflanze 5 hmdurchgefuhrt ist, so dass lediglich der Endabschnitt 13 der Brennstofflanze 5 aus dem Brennstoffzufuhrsystem 9 herausragt. Das Brennstoff- zufuhrsystem 9 ist mit Drallschaufeln 15 verbunden, die sich am abstromseitigen Ende des Brennstoffzufuhrsystems 9 befinden und sich durch den Luftzufuhrkanal 3 erstrecken. Mittels Brennstoffzufuhrkanalen 17 wird ein Brennstoff, im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel ein gasformiger Brennstoff, in die Drallschaufeln 15 geleitet, von wo er durch Dusenoffnungen 19 in die durch den Luftzufuhrkanal 3 stromende Luft eingedust wird.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Brenner handelt es sich um einen sogenannten „Dual Fuel Brenner", also einen Brenner, der sowohl mit gasformigen Brennstoffen, als auch mit flussi- gen Brennstoffen betrieben werden kann. Die Erfindung kann jedoch auch im Rahmen von Brennern realisiert werden, in denen sowohl durch das Brennstoff zufuhrsystem, als auch durch die Brennstofflanze jeweils ein Brennstoff im selben Aggregatzustand zugeführt wird, also beispielsweise im Rahmen ei- nes Brenners, in dem sowohl durch das Brennstoffzufuhrsystem, als auch durch die Brennstofflanze jeweils ein gasformiger Brennstoff zugeführt wird. Beispielsweise kann dann die Brennstofflanze als Pilotbrenner Verwendung finden.

Eine perspektivische Darstellung des Endabschnittes 13 der

Brennstofflanze 5 ist in Fig. 2 gezeigt. Fig. 3 zeigt außerdem eine Frontalansicht auf den Endabschnitt in Blickrichtung entlang der Axialrichtung der Brennstofflanze 5.

Mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 wird nun nachfolgend die Endabschnitt 13 naher beschrieben. Der Endabschnitt 13 umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt 20, an dem sich eine im Wesentlichen kegelstumpfformige Spitze 21 anschließt. In der Mantelflache 23 der kegelstumpfformigen Spitze 21 sind drei Brennstoffdusen 7 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet, wie insbesondere Fig. 3 erkennen lasst. Es sei an dieser Stelle aber darauf hingewiesen, dass eine Spitze mit drei Brennstoffdusen lediglich eine mögliche Ausfuhrungsvariante darstellt und dass mehr oder weniger Brenn- stoffdusen oder eine andere Verteilung der Dusen in der Mantelflache möglich sind. Zum Kuhlen der Spitze 21 ist diese mit Kuhlluftkanalen 25 versehen, die in eine zentrale Öffnung 27 munden. Diese be ^¬ findet sich dort, wo die Deckflache des Kegelstumpfes verlauft. Gespeist werden die Kuhlluftkanale 25 durch Speiseoff- nungen 29 im zylinderförmigen Abschnitt 20 des Endabschnittes 13 der Dusenlanze 5. Beim Betrieb des Brenners strömt ein Teil der durch den Luftzufuhrkanal 3 einströmenden Luft durch die Speiseoffnungen 29 in die Kuhlluftkanale 25. Diese Luft weist Temperaturen auf, die kuhler sind, als die Temperatur der Spitze 21. Dennoch wird die Spitze 21 beim Gasbetrieb des dargestellten Brenners durch die im Flammenraum vorherrschende Flamme auf Temperaturen von rund 800 bis 1.000 ⁰ C aufgeheizt.

Wenn vom Gasbetrieb, bei dem der gasformige Brennstoff durch das Brennstoffzufuhrsystem 9 zugeführt wird, auf den Olbe- tπeb umgestellt werden soll, in dem der Brennstoff durch die Brennstofflanze zugeführt wird, erfolgt eine Spulung der Brennstoffpassage 31 und der Brennstoffdusen 7 der Brenn- stofflanze 5, um Verkokungen zu vermeiden. Dieses Spulen wird typischerweise mit Wasser durchgeführt, welches eine Temperatur von etwa 25°C besitzt. Aufgrund der hohen Temperaturdif ^¬ ferenz zwischen dem Spulwasser einerseits und der Spitze 21 andererseits kommt es hierbei in der Spitze zu Thermospannun- gen, die definiert abzubauen sind. Um das definierte Abbauen dieser Thermospannungen zu ermöglichen, ist die die Dusenfla- che bildende Mantelflache 23 der Spitze 21 mit Schlitzen 33 versehen. Die Schlitze 33 erstrecken sich im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel durch die Mantelflache 23 hindurch bis zu den Kuhlluftkanalen 25, so dass beim Betrieb des Brenners

Kuhlluft durch die Schlitze 33 austreten kann, um diese gegen den Eintritt von heißen Verbrennungsgasen zu sperren.

Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel reichen die Schlitze 33 zudem bis zu den Speiseoffnungen 29. Sie können jedoch auch lediglich in der Mantelflache 23 des Kegelstumpfes angeordnet sein, so dass kein Schlitzabschnitt durch den zylinderförmigen Abschnitt 20 verlauft. Die Schlitze 33 sind im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel je ^¬ weils in der Mitte zwischen zwei Brennstoffdusen 7 angeordnet. In Abhängigkeit von den stromungstechnischen Gegebenhei- ten im Bereich der Spitze (beispielsweise unter Berücksichtigung des von den Drallerzeugern 15 erzeugten Dralls) können die Schlitze 33 jedoch auch im Vergleich zudem in den Fig. dargestellten Ausfuhrungsbeispiel im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn versetzt sein. Außerdem ist es mog- lieh, mehrere Schlitze vorzusehen, wenn diese sich nur durch die Mantelflache 23 des Kegelstumpfes 21, nicht aber durch den zylinderförmigen Abschnitt 20 erstrecken. Die durch die Schlitze 33 möglich werdende Verformung der Kegelstumpfmantelflache 23 im Bereich der Kuhlluftkanale 25 ermöglicht dann das Abbauen der wahrend des Spulprozesses auftretenden Ther- mospannungen .

Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel sind um die Brennstoffdu ^¬ sen 7 herum außerdem optionale Durchgangsbohrungen 30 vorhan- den, die bis zu den Kuhlluftkanalen 25 reichen und die den Durchtritt von Kuhlfluid ermöglichen. Hierdurch lasst sich eine besonders effektive Kühlung des Materials der Lanzen ^¬ spitze im Bereich der zu spulenden Dusenoffnungen 7 errei ^¬ chen, wodurch der Thermoschock beim Spulen und somit auch die abzubauenden Thermospannungen verringert werden.

Das Vorsehen der Schlitze 33 in der Brennstofflanze des er- fmdungsgemaßen Brenners ermöglicht in vorteilhafter Weise den Abbau von Thermospannungen wahrend des Spulens der Brenn- stofflanze mit Spulwasser, ohne dass die Schlitze die Aerodynamik im Bereich der Spitze der Brennstofflanze negativ beeinflussen. Durch den verbesserten Abbau der Thermospannungen wird die Lebensdauer der Brennstofflanze verlängert. Das Einbringen der Schlitze in bestehende Brennstofflanzen ohne Schlitze ist zudem ohne großen Aufwand realisierbar, so dass bereits existierende Brennstofflanzen mit geringem Aufwand umgerüstet werden können.