Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Lanze für einen Hybridbrenner einer Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere einer Gasturbine für eine Kraftwerksanlage.

Stand der Technik

Mit Hilfe einer derartigen Lanze können in einen Hybridbrenner ein flüssiger Brennstoff, zum Beispiel ein geeignetes Öl, und ein gasförmiger Brennstoff, zum Beispiel Erdgas, alternativ oder kumulativ eingedüst werden. Üblicherweise erfolgt die Versorgung der Lanze mit dem gasförmigen Brennstoff über eine Pipeline, in der ein vom Gasversorgungssystem vorgegebener Gasdruck herrscht. Bei einer Vielzahl von Anwendungen, z.B. bei einer Brennkammer mit Niederdruckbrenner und nachgeordnetem Hochdruckbrenner, ist dieser in der Pipeline vorhandene Systemdruck jedoch zu niedrig, um den gasförmigen Brennstoff mit hinreichender Druckdifferenz durch die Lanze in die Brennkammer eindüsen zu können. Dementsprechend ist es üblich, stromauf der Lanze einen zusätzlichen Verdichter anzuordnen, um den gasförmigen Brennstoff auf das erforderliche Druckniveau anzuheben. Der Einbau eines derartigen zusätzlichen Verdichters erhöht jedoch die Installationskosten der Brennkammer beziehungsweise der damit ausgestatteten Gasturbine. Darüber hinaus benötigt der zusätzliche Verdichter für seinen Betrieb Energie, die bei einer bevorzugten Anwendung der Gasturbine in einer Kraftwerksanlage zur Stromerzeugung den Wirkungsgrad der Kraftwerksanlage reduziert.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Lanze der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere einen Betrieb des damit ausgestatteten Hybridbrenners bei einem vergleichsweise niedrigen Druck im gasförmigen Brennstoff ermöglicht.

Dieses Problem wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, durch aerodynamische Verbesserungen im Gaspfad der Lanze deren Durchströmungswiderstand zu reduzieren, um dadurch den bei der Durchströmung der Lanze auftretenden Druckabfall zu verringern. Im Ergebnis kann dadurch der stromauf der Lanze erforderliche Druck im gasförmigen Brennstoff abgesenkt werden. Ziel ist es dabei, den Durchströmungswiderstand im Gaspfad der Lanze möglichst so weit abzusenken, dass der verbleibende Druckabfall einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brenners bereits mit dem in der Pipeline herrschenden Systemdruck ermöglicht. Das bedeutet, dass dann auf einen zusätzlichen Verdichter stromauf der Lanze verzichtet werden kann. Bei der Erfindung wird der Strömungswiderstand im Gaspfad der Lanze insbesondere dadurch deutlich reduziert, dass bei einem Verteilerabschnitt, der stromauf der Außendüsen im Außenkanal angeordnet ist, und der mehrere sternförmig angeordnete, sich axial erstreckende Durchgangsöffnungen für den gasförmigen Brennstoff aufweist, die Durchgangsöffnungen so dimensioniert sind, dass diese jeweils in Umfangsrichtung eine größere Öffnungsweite aufweisen als in Radialrichtung. Durch diese Bauweise wird der durchströmbare Querschnitt im Verteilerabschnitt erheblich vergrößert, was dessen Durchströmungswiderstand entsprechend reduziert. Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, dass bei der Durchströmung des Verteilerabschnitts innerhalb der Lanze ein besonders gravierender Druckabfall entsteht, so dass dort ein besonders großes Potential für die Reduzierung des Durchströmungswiderstands liegt.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Außenkanal im Bereich der Außendüsen axial durch eine äußere Stirnwand begrenzt sein, wodurch der Außenkanal axial verschlossen ist. Bei jeder Außendüse ist dann an einer vom Verteilerabschnitt abgewandten Seite in der äußeren Stirnwand eine axiale Vertiefung ausgebildet. Mit Hilfe einer derartigen Vertiefung können die sich koaxial innerhalb der Außendüsen erstreckenden Innendüsen erheblich besser umströmt werden, was das Einströmen des gasförmigen Brennstoffs vom Außenrohr in die Außendüsen, insbesondere an deren vom Verteilerabschnitt abgewandten Seite, erheblich vereinfacht. Dementsprechend wird auch im Bereich des Übergangs zwischen Außenrohr und Außendüsen der Strömungswiderstand deutlich reduziert. Gleichzeitig kann bei einer derartigen Ausführungsform die Homogenität der Durchströmung der Außendüsen und somit die Qualität der Eindüsung des gasförmigen Brennstoffs verbessert werden. Eine weitere Reduzierung des Druckabfalls im Gaspfad der Lanze kann bei einer anderen Ausführungsform dadurch realisiert werden, dass bei jeder Außendüse ein Übergang vom Außenkanal zu einem im Inneren der jeweiligen Außendüse ausgebildeten Außendüsenkanal mit einer sich in Strömungsrichtung verjüngenden Einlaufzone versehen ist. Eine derartige Einlaufzone reduziert den Strömungswiderstand bei der Umlenkung der Gasströmung, was den Gesamtwiderstand der Lanze ebenfalls senkt.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lanze ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine vereinfachte Prinzipdarstellung einer Lanze nach der Erfindung im Einbauzustand, Fig. 2 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht auf einen Kopf der Lanze, Fig. 3 eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht auf den Lanzenkopf gemäß Fig. 2 entsprechend einer in Fig. 2 mit IM gekennzeichneten anderen Blickrichtung, Fig. 4 einen halben Längsschnitt des Lanzenkopfs in einem Düsenbereich. Entsprechend Fig. 1 umfasst eine hier nur teilweise angedeutete Brennkammer 1 zumindest einen Hybridbrenner 2, der mit einer Lanze 3 ausgestattet ist. Die Brennkammer 1 ist vorzugsweise ein Bestandteil einer hier nicht dargestellten Gasturbine, insbesondere zur Stromerzeugung innerhalb einer Kraftwerksanlage.

Der Hybridbrenner 2 kann sowohl gasförmige Brennstoffe, wie zum Beispiel Erdgas, als auch flüssige Brennstoffe, wie zum Beispiel ein geeignetes Öl, verbrennen. Dementsprechend ist die Lanze 3 einerseits an eine Flüssigbrennstoffversorgungsleitung 4 und andererseits an eine Gasbrennstoffversorgungsleitung 5 angeschlossen. In der Flüssigbrennstoffversorgungsleitung 4 ist üblicherweise eine Pumpe 6 angeordnet, um den Flüssigbrennstoff mit dem erforderlichen Versorgungsdruck beaufschlagen zu können. Im Unterschied dazu ist die Gasbrennstoffversorgungsleitung 5 im wesentlichen direkt an eine hier nicht dargestellte Pipeline angeschlossen, die den gasförmigen Brennstoff unter einem vergleichsweise niedrigen Pipelinedruck bereitstellt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Lanze 3 ist es möglich, auf einen Verdichter in der Gasbrennstoffversorgungsleitung 5 stromauf der Lanze 3 zu verzichten.

Dem Brenner 2 wird verdichtete Luft entsprechend einem Pfeil 7 von einem nicht gezeigten Verdichter zugeführt. Die Lanze 3 ist bezüglich der Strömungsrichtung der Luft 7 im wesentlichen radial an den Brenner 2 herangeführt und besitzt einen in den Brenner 2 hineinragenden, im wesentlichen rechtwinklig abgewinkelten Lanzenkopf 8. Der Lanzenkopf 8 ist somit bezüglich seiner Längsmittelachse 9 parallel zur Hauptströmungsrichtung der zugeführten Luft 7 orientiert. Der Lanzenkopf 8 ist so ausgestaltet, dass er den flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff bezüglich seiner Längsmittelachse 9, also bezüglich der in dem Brenner 2 vorherrschenden Hauptströmungsrichtung der Luft 7 radial in den Brenner 2 eindüst. Die nachfolgenden Erläuterungen betreffen insbesondere den Lanzenkopf 8.

Entsprechend den Fig. 2 und 3 enthält die Lanze 3 in ihrem Kopf 8 einen Innenkanal 10 für flüssigen Brennstoff sowie einen Außenkanal 11 für gasförmigen Brennstoff. Die beiden Kanäle 10, 11 sind koaxial zueinander angeordnet, so dass der Außenkanal 11 den Innenkanal 10 umschließt. Dementsprechend weist der Außenkanal 11 einen ringförmigen Querschnitt auf, während der Innenkanal 10 einen vollen Querschnitt besitzt. Innenkanal 10 und Außenkanal 11 sind durch ein Innenrohr 16 voneinander getrennt und von einem koaxial dazu angeordneten Außenrohr 17 umschlossen.

Zur Eindüsung des gasförmigen Brennstoffs ist die Lanze 3 an ihrem Kopf 8 mit mehreren Außendüsen 12 ausgestattet, die bezüglich der Längsmittelachse 9 sternförmig angeordnet sind und radial vom Außenkanal 11 ausgehen. Die Außendüsen 12 enthalten jeweils einen Außendüsenkanal 13, der radial vom Außenkanal 11 abgeht und mit diesem kommuniziert. Dementsprechend kann über die Außendüsen 12 der gasförmige Brennstoff in den Brenner 2 eingedüst werden.

In entsprechender Weise ist die Lanze 3 an ihrem Kopf 8 außerdem mit Innendüsen 14 ausgestattet, die bezüglich der Längsmittelachse 9 ebenfalls sternförmig angeordnet sind und dabei radial vom Innenkanal 10 abgehen. Dabei ist jeweils eine Innendüse 14 koaxial innerhalb einer Außendüse 12 angeordnet, wobei Innendüsen 14 und Außendüsen 12 radial außen jeweils etwa bündig enden. Jede Innendüse 14 enthält einen Innendüsenkanal 15, der mit dem Innenkanal 10 kommuniziert. Dementsprechend kann über die Innendüsen 15 der flüssige Brennstoff in den Brenner 2 eingedüst werden. Durch die koaxiale Anordnung der Düsen 12, 14 ergibt sich für den Außendüsenkanal 13 ein ringförmiger Querschnitt, während der Innendüsenkanal 15 einen vollen Querschnitt aufweist.

Im Außenkanal 11 ist stromauf der Außendüsen 12 ein Verteilerabschnitt 18 angeordnet, der in Fig. 2 durch eine geschweifte Klammer gekennzeichnet ist. Der Verteilerabschnitt 18 bildet einen ringförmig geschlossenen Axialabschnitt der Lanze 3 beziehungsweise des Lanzenkopfs 8 und kann insbesondere einstückig am Außenrohr 17 ausgebildet sein. Der Verteilerabschnitt 18 ist somit im durchströmbaren Querschnitt des Außenkanals 11 angeordnet. Damit der gasförmige Brennstoff dennoch zu den Außendüsen 12 gelangen kann, ist der Verteilerabschnitt 18 mit mehreren, sternförmig angeordneten Durchgangsöffnungen 19 ausgestattet, die sich axial durch den Verteilerabschnitt 18 hindurch erstrecken. Ein derartiger Verteilerabschnitt 18 wird benötigt, um bei einem Schadensfall, bei dem der Lanzenkopf 8 z. B. durch Überhitzung undicht geworden ist, eine gewisse Druckdifferenz zum Gaspfad gewährleisten zu können, damit die Flammenfront nicht in den Gaspfad entgegen der Gasströmungsrichtung hineinwandern kann bzw. damit nicht zuviel Brennstoff unkontrolliert in den Brenner 2 einströmen kann.

Damit der Verteilerabschnitt 18 für den gasförmigen Brennstoff einen möglichst geringen Durchströmungswiderstand besitzt, sind die Durchgangsöffnungen 19 jeweils so gestaltet, dass sie in Umfangsrichtung eine größere Öffnungsweite besitzen als in Radialrichtung. In Fig. 3 ist die in der Umfangsrichtung orientierte Umfangsöffnungsweite durch einen Pfeil 20 markiert, während die in Radialrichtung orientierte Radialöffnungsweite durch einen Pfeil 21 angedeutet ist. Es ist klar erkennbar, dass die Umfangsöffnungsweite 20 mehr als doppelt so groß gewählt ist wie die Radialöffnungsweite 21. Insbesondere ist die Umfangsöffnungsweite 20 etwa drei- bis fünfmal größer, vorzugsweise etwa viermal größer, als die Radialöffnungsweite 21. Durch die gewählte Dimensionierung der Durchgangsöffnungen 19 ergibt sich für diese ein vergleichsweise niedriger Durchströmungswiderstand, so dass der bei der Durchströmung des Verteilerabschnitts 18 auftretende Druckabfall entsprechend gering ist. In der Folge ergibt sich auch für die Lanze 3 ein vergleichsweise geringer Strömungswiderstand.

Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Durchgangsöffnungen 19 in Umfangsrichtung jeweils entlang eines Kreisbogensegments, wodurch sich ein besonders großer durchströmbarer Querschnitt für die jeweiligen Durchgangsöffnungen 19 erzielen lässt. Grundsätzlich können auch andere Querschnittsgeometrien zur Anwendung kommen, beispielsweise elliptische Querschnitte.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind bei der hier gezeigten Ausführungsform vier Durchgangsöffnungen 19 vorgesehen. Die einzelnen Durchgangsöffnungen 19 sind in Umfangsrichtung durch Stege 22 voneinander getrennt. Die Stege 22 erstrecken sich dabei bezüglich der Längsmittelachse 9 radial und axial. Im Vergleich zu den Durchgangsöffnungen 19 besitzen diese Stege 22 nur einen vergleichsweise kleinen Querschnitt. Vorzugsweise ist die Umfangsöffnungsweite 20 der Durchgangsöffnungen 19 jeweils mindestens dreimal größer als eine in Umfangsrichtung gemessene Wandstärke 23 der Stege 22. Insbesondere sind die Stege 22 so dimensioniert, dass die Umfangsöffnungsweite 20 der Durchgangsöffnungen 19 etwa vier- bis achtmal größer ist als die Wandstärke 23 der Stege 22.

Bezugnehmend auf Fig. 4 ist besonders deutlich erkennbar, dass der Außenkanal 11 im Bereich der Außendüsen 12 durch eine äußere Stirnwand 24 axial verschlossen ist. Da die Außendüsen 12 bzw. die Außendüsenkanäle 13 bezüglich des Außenkanals 11 radial orientiert sind, kommt es bei einem Übergang 25 zwischen Außenkanal 11 und Außendüsenkanal 13 zu einer relativ starken Strömungsumlenkung, was in Fig. 4 durch Pfeile dargestellt ist. Um den mit der Strömungsumlenkung einhergehenden Druckabfall zu reduzieren, kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung bei jeder Außendüse 12 an einer vom Verteilerabschnitt 18 abgewandten Seite eine axiale Vertiefung 26 in der äußeren Stirnwand 24 ausgespart sein. Diese Vertiefung 26 erleichtert es der Gasströmung im Innenkanal 11 die jeweilige Innendüse 14 zu umströmen. Hierdurch kann die Umlenkung der Gasströmung an der vom Verteilerabschnitt 18 abgewandten Seite mit der Außendüse 12 verbessert werden. Dies führt zu einer Vergleichmäßigung der Druckverteilung innerhalb des Übergangs 25, mit der Folge, dass zum einen der Strömungswiderstand im Bereich des Übergangs 25 reduziert und zum anderen die Homogenität der Strömungsverteilung innerhalb des Außendüsenkanals 13 verbessert wird.

Die Vertiefungen 26 können - wie hier in Fig. 4 dargestellt - für jede Außendüse 12 separat vorgesehen sein, wobei dann eine Ausgestaltung bevorzugt wird, bei welcher die Vertiefung 26 bezüglich einer Längsmittelachse 27 der Düsen 12, 14 kreisbogensegmentförmig ausgestaltet ist. Hierdurch können sogenannte „Totwassergebiete" reduziert und der Strömungswiderstand abgesenkt werden. Alternativ ist es grundsätzlich auch möglich, für alle Außendüsen 12 eine gemeinsame Vertiefung 26 vorzusehen. Eine derartige gemeinsame Vertiefung 26 bildet dann in der äußeren Stirnwand 24 eine in Umfangsrichtung geschlossen umlaufende Ringnut. Eine derartige Ausführungsform lässt sich besonders einfach herstellen.

Besonders günstige Werte für den Druckabfall am Übergang 25 können erreicht werden, wenn die Dimensionierung der Vertiefung 26 auf die Dimension des Außendüsenkanals 13 in besonderer Weise abgestimmt ist. Günstig ist beispielsweise eine Ausführungsform, bei welcher eine bezüglich der Längsmittelachse 27 der Außendüse 12 gemessene radiale Tiefe 28 etwa zweimal oder zumindest zweimal größer ist als ein radialer Abstand 29 zwischen einer nicht näher bezeichneten Innenwand der Außendüse 12 und einer nicht näher bezeichneten Außenwand der darin angeordneten Innendüse 14.

Eine weitere Maßnahme zur Absenkung des Druckverlusts innerhalb der Lanze 3 wird in einer aerodynamischen Optimierung des Übergangs 25 gesehen. Zu diesem Zweck kann der Übergang 25 gemäß Fig. 4 mit einer Einlaufzone 30 ausgestattet sein, die sich in der Strömungsrichtung verjüngt. Hierdurch wird der Strömungswiderstand beim Übergang vom Außenkanal 11 in den jeweiligen Außendüsenkanal 13 reduziert. Die Verjüngung der Einlaufzone 30 kann durch eine einfache Anfasung erzielt werden. Ebenfalls ist es möglich, die Verjüngung abgerundet auszugestalten.

Wie den Fig. 2 bis 4 entnehmbar ist, ist im Innenkanal 10 im Bereich der Innendüsen 14 zweckmäßig ein Teiler 31 angeordnet. Der Teiler 31 umfasst einen Kern 32, der sich konzentrisch innerhalb des Innenkanals 10 erstreckt. An diesem Kern 32 sind Trennwände 33 ausgebildet, die sich radial und axial erstrecken und dabei vom Kern 32 sternförmig abstehen, derart, dass sie das Innenrohr 16 berühren. Vorteilhaft sind dabei der Kern 32 und die Trennwände 33 in Anström richtung zur Längsmittelachse 9 hin gepfeilt ausgestaltet. Mit Hilfe eines derartigen Teilers 31 kann die Umlenkung der Flüssigkeitsströmung im Innenkanal 10 auf die Innendüsen 14 verbessert werden.

Besonders vorteilhaft ist nun eine in den Fig. 2 und 3 dargestellte Ausführungsform, bei welcher ein Abstand 34 zwischen dem Kern 32 und dem Innenrohr 16 zumindest zweimal größer ist als ein Kerndurchmesser 35. Bei einer derartigen Bauweise muss das Innenrohr 16 im Bereich des Teilers 31 nicht oder nur geringfügig aufgeweitet werden, um einen möglichst konstanten Strömungsquerschnitt bis zu den Innendüsen 14 gewährleisten zu können. Dies hat zur Folge, dass der Außenkanal 16 im Bereich der Außendüsen 12 einen größeren Durchströmungsquerschnitt aufweisen kann, so dass auch im Außenkanal 11 bis zu den Außendüsen 12 ein möglichst konstanter Strömungsquerschnitt erreicht werden kann. Somit führt auch diese Maßnahme letztlich zu einer Absenkung des Strömungswiderstands im Gaspfad der Lanze 3.

Den Fig. 2 und 3 ist außerdem eine weitere Besonderheit entnehmbar, da dort der Kern 32 von einer inneren Stirnwand 36 axial absteht, welche den Innenkanal 10 im Bereich der Innendüsen 14 axial verschließt. Um die Umlenkung zu den Innendüsen 14 zu verbessern, kann nun ein Übergang 37 vom Kern 32 zur inneren Stirnwand 36 kehlförmig ausgestaltet sein. In der Folge ist es möglich, den Teiler 31 axial kürzer zu bauen. Für den Kern 32 wird beispielsweise eine axiale Länge 38 bevorzugt, die etwa gleich groß ist wie oder sogar kleiner sein kann als ein Öffnungsquerschnitt 39 des Innenkanals 10 im Bereich der Innendüsen 14. Dieser relativ kurze Teiler 31 ermöglicht wiederum eine Aufweitung im Außenkanal 11 und führt dort zu einem reduzierten Strömungswiderstand. Bezugszeichenliste

1 Brennkammer 2 Hybridbrenner 3 Lanze 4 Flüssigbrennstoffversorgungsleitung 5 Gasbrennstoffversorgungsleitung 6 Pumpe 7 Luft 8 Lanzenkopf 9 Längsmittelachse von 8 10 Innenkanal 11 Außenkanal 12 Außendüse 13 Außendüsenkanal 14 Innendüse 15 Innendüsenkanal 16 Innenrohr 17 Außenrohr 18 Verteilerabschnitt 19 Durchgangsöffnung 20 Umfangsöffnungsweite 21 Radialöffnungsweite 22 Steg 23 Stegwandstärke 24 äußere Stirnwand 25 Übergang 26 Vertiefung 27 Längsmittelachse von 12 und 14 28 Tiefe von 26 29 Abstand zwischen 12 und 14 30 Einlaufzone 31 Teiler 32 Kern 33 Trennwand 34 Abstand zwischen 32 und 16 35 Kerndurchmesser 36 innere Stirnwand 37 kehlförmiger Übergang 38 Kernlänge 39 Innenkanaldurchmesser