AT522614B1 - Verfahren zur gleichmäßigen Verteilung von Treibstoff und Oxidationsmittel - Google Patents

Abstract

Brennerdüse (BD; BD1, ..., BDn) zur optimalen Verbrennung von Treibstoff in einem Brenner umfassend - eine Treibstoffzuleitung (ZL), in der Treibstoff in die Brennerdüse (BD; BD1, ..., BDn) einleitbar ist, und - eine Anzahl von Injektionsöffnungen (IO) über die ein Anteil von in der Brennerdüse (BD; BD1, ..., BDn) befindlichem Treibstoff aus der Brennerdüse (BD; BD1, ..., BDn) in einen Brennraum injizierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdüse (BD; BD1, ..., BDn) eine Anzahl von Kammern (K1, ..., Kn) aufweist, die sequentiell miteinander über Kommunikationsöffnungen (KO) verbunden sind, - wobei Treibstoff aus der Treibstoffzuleitung (ZL) in die erste Kammer (K1) einleitbar ist und aus der letzten Kammer (Kn) über die Injektionsöffnungen (IO) in den Brennraum injizierbar ist, - wobei die Kommunikationsöffnungen (KO) derart ausgebildet sind, dass Treibstoff über zumindest eine Kommunikationsöffnung (KO) aus der Treibstoffzuleitung (ZL) in eine erste Kammer eintritt und diese füllt, und dass nach vollständiger Füllung der ersten Kammer (K1) die an die erste Kammer (K1) anschließende Kammer (K2) gefüllt wird, sodass eine sequentielle Füllung der Kammern mit Treibstoff erfolgt, - wobei die Injektionsöffnungen (IO) in der letzten Kammer (Kn) angeordnet sind, sodass eine gleichmäßige Temperaturverteilung und Massenstromverteilung innerhalb der Brennerdüse (BD; BD1, ..., BDn) und eine gleichmäßige Verteilung des Massenstroms aus den einzelnen Injektionsöffnungen (IO) vorliegen.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennerdüse zur optimalen Verbrennung von Treibstoff in einem Brenner gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Brenner gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 7, ein Triebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 und eine Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind Methoden zur Injektion von Treibstoff in z.B. eine Gasturbine oder ein Triebwerk bekannt, bei denen der Treibstoffzufluss in eine Mehrzahl von Brennern bzw. den Brennraum durch ein Drucksteigerungsventil kontrolliert wird, das auch für die Durchflussmessung herangezogen wird. Der durch die geringe Injektionsmenge bedingte geringe Massenfluss des Treibstoffs in der Zuleitung zum jeweiligen Brenner in Kombination mit erhöhtem thermischen Stress an den Wänden der Brennerdüsen, die den Treibstoff in den jeweiligen Brenner injizieren, können zu einer Verkokung des Treibstoffs führen, die schließlich zu einer Verstopfung der Brennerdüse führt.

[0003] Eine Überwachung des Treibstoffzuflusses für jeden einzelnen Brenner ist aktuell nicht möglich. Dadurch wird im Stand der Technik ein verstopfter Brenner nicht erkannt sondern erst bei der nächsten vorgesehenen Wartung des Brenners, was zwischenzeitlich einen äußerst negativen Effekt auf die Verbrennungseigenschaften und die Gasemission des Triebwerks haben kann und im schlimmsten Fall zum Ausfall des Triebwerks oder der Turbine führt. Daher wird bei den bisher verwendeten Brennern das Wartungsintervall sehr kurz gewählt, was hohe Kosten und lange Standzeiten der Triebwerke und Turbinen verursacht.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es daher, diesbezüglich Abhilfe zu schaffen und Vorrichtungen bereitzustellen, das ein unkontrolliertes bzw. ungleichmäßiges Aufheizen des Treibstoffs verhindert und somit ein Verkoken des Treibstoffs und ein damit einhergehendes Verstopfen der Brennerdüsen vermeidet. Weiters ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennerdüse zur optimalen Injektion von Treibstoff in einen Brennraum bereitzustellen.

[0005] Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Brennerdüse eine Anzahl von Kammern aufweist, die sequentiell miteinander über Kommunikationsöffnungen verbunden sind,

- wobei Treibstoff aus der Treibstoffzuleitung in die erste Kammer einleitbar ist und aus der letzten Kammer über die Injektionsöffnungen in den Brennraum injizierbar ist,

- wobei die Kommunikationsöffnungen derart ausgebildet sind, dass Treibstoff über zumindest eine Kommunikationsöffnung aus der Treibstoffzuleitung in eine erste Kammer eintritt und diese füllt, und dass nach vollständiger Füllung der ersten Kammer die an die erste Kammer anschließende Kammer gefüllt wird, sodass eine sequentielle Füllung der Kammern mit Treibstoff erfolgt,

- wobei die Injektionsöffnungen in der letzten Kammer angeordnet sind, sodass eine gleichmäßige Temperaturverteilung und Massenstromverteilung innerhalb der Brennerdüse und eine gleichmäßige Verteilung des Massenstroms aus den einzelnen Injektionsöffnungen vorliegen.

[0006] Als sequentiell miteinander verbunden wird im Zusammenhang mit der Erfindung verstanden, dass die einzelnen Kammern der Brennerdüse jeweils derart miteinander verbunden sind, dass sie nacheinander mit Treibstoff befüllt werden. Dies bedeutet, dass, erst wenn eine Kammer gefüllt ist, die an diese anschließende, mit der befüllten Kammer verbundene, Kammer gefüllt wird, bis Treibstoff in der letzten Kammer angekommen ist.

[0007] Durch die sequentiell miteinander verbundenen Kammern kommt es zu einer Erhöhung der Verweildauer des Treibstoffs in der jeweiligen Brennerdüse, wodurch der Treibstoff gleichmäBig vorgewärmt wird. Weiters flutet der Treibstoff die einzelnen Kammern sequentiell, d.h. nacheinander, sodass erst bei Füllung der letzten Kammer die Injektion des Treibstoffs in den Brennraum erfolgt. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Druckverteilung über die gesamte Länge der Brennerdüse, wodurch bei jeder Injektionsöffnung die gleiche Menge Treibstoff abgegeben bzw.

eingespritzt wird. Weiters ist auf diese Weise eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Länge der Brennerdüse gewährleistet und die Temperatur des Treibstoffs kann vorteilhafterweise unter einer Temperatur von 150°C gehalten werden, um einer Verkokung vorzubeugen.

[0008] Eine besonders einfach, beispielsweise durch ein 3D-Druckverfahren, herzustellende Brennerdüse kann bereitgestellt werden, wenn die Brennerdüse länglich, insbesondere in Form eines Prismas oder Zylinders ausgebildet ist, und vorzugsweise eine dreieckige Querschnittsfläche aufweist. Weiters kann dadurch die Länge der Brennerdüse an die Erfordernisse des jeweiligen Brenners angepasst werden und eine einfache Skalierbarkeit in der Länge oder der Dimensionierung der Brennerdüse erreicht werden.

[0009] Eine besonders gleichmäßige Erwärmung des Treibstoffs in der Brennerdüse kann erzielt werden, wenn die Kammern der Brennerdüse gleich ausgebildet sind und gleichmäßig über den Querschnitt der Brennerdüse verteilt angeordnet sind. Derart kann weiters erzielt werden, dass die Verteilung des Treibstoffs innerhalb der einzelnen Kammern gleichmäßig ist und eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Brennerdüse erreicht wird.

[0010] Eine besonders homogene Temperaturverteilung über die gesamte Länge der Brennerdüse kann erzielt werden, wenn die Kammern sich längs der Brennerdüse, insbesondere entlang der Achse des Prismas oder Zylinders, erstrecken und dass die Kammern derart in der Brennerdüse angeordnet und sequentiell über die Kommunikationsöffnungen miteinander verbunden sind, dass der eingeleitete Treibstoff zuerst die am Außenumfang der Brennerdüse angeordneten Kammern füllt.

[0011] Eine besonders gleichmäßige Treibstoffinjektion in den Brennraum kann erzielt werden, wenn die Kantenlänge oder die Höhe der Brennerdüse ca. zehnfach größer ist, als der Durchmesser der Kommunikationsöffnung.

[0012] Eine weitere Homogenisierung der injizierten Treibstoffmenge pro Brennerdüse kann erzielt werden, wenn entlang der Längserstreckung der jeweiligen Kammer zwischen 1 und 4, insbesondere 2, Injektionsöffnungen pro cm Länge der Kammer angeordnet sind.

[0013] Eine besonders gleichmäßige Druckverteilung über die gesamte Länge der Brennerdüse kann erzielt werden, wenn die Form der Kommunikationsöffnungen derart ausgestaltet ist, dass der Druckverlust des durch die Kommunikationsöffnungen strömenden Treibstoffs an den Kommunikationsöffnungen geringer ist, als der Druckverlust an den Injektionsöffnungen, sodass sich innerhalb der Brennerdüse Druck aufbaut.

[0014] Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass bei jeder Injektionsöffnung exakt die gleiche Menge Treibstoff in den Brennraum injiziert wird und dass für den Treibstoff beim Austritt aus den einzelnen Injektionsöffnungen der Brennerdüse dieselben Austrittbedingungen vorliegen.

[0015] Eine besonders effiziente Temperaturregulierung innerhalb der Brennerdüse durch die Abfuhr von Wärme aus der Brennerdüse über den nicht injizierten Restanteil von Treibstoff kann erzielt werden, wenn die Brennerdüse eine Rückflussleitung aufweist,

- wobei die Rückflussleitung in der Brennerdüse derart angeordnet und ausgebildet ist, dass ein nicht injizierter Restanteil des Treibstoffs in einer Sammelleitung sammelbar und in ein Treibstoffreservoir rückführbar oder dem Verbrennungsprozess wieder zuführbar ist und

- wobei die Rückflussleitung an die letzte Kammer angeschlossen ist.

[0016] Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Brenner zur optimalen Verbrennung von mit Oxidationsmittel vermengtem Treibstoff bereitzustellen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Brenner eine erfindungsgemäße Brennerdüse umfasst. Mittels des erfindungsgemäßen Brenners wird vorteilhafterweise eine besonders homogene Treibstoffinjektion aus den einzelnen Brennerdüsen in den Brennraum des thermischen Systems erzielt und eine gleichmäBige Temperaturverteilung des injizierten Treibstoffs erreicht. Weiters kann dadurch eine besonders gleichmäßige Verbrennung bei besonders geringen Abgasemissionen erreicht werden.

[0017] Eine besonders gleichmäßige und emissionsarme Verbrennung kann bei einem Brenner erzielt werden, wenn der Brenner bzw. die Mischkammer des Brenners als Drallerzeuger, Wirbelgenerator oder Zyklon ausgebildet ist und dieser zu einer drallstabilisierten, nicht an den Brenner angehängten Flamme führt. Durch diese Ausgestaltung wird eine Vermischung von Oxidationsmittel und Treibstoff durch Verwirbelung erzielt, da der Luftwirbel die eingespritzten Treibstofftröpfchen in seine Richtung mitreißt.

[0018] Die Erfindung betrifft weiters ein Triebwerk, beispielsweise für Flugzeuge, oder eine stationäre Gasturbine umfassend einen erfindungsgemäßen Brenner.

[0019] Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

[0020] Besonders vorteilhafte, aber nicht einschränkend zu verstehende Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen schematisch dargestellt und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben.

[0021] Im Folgenden zeigen schematisch:

[0022] Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines bekannten Verfahrens zur Treibstoffinjektion in einem thermischen System nach dem Stand der Technik,

[0023] Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Treibstoffverteilungssystems das nach einem Verfahren zur gleichmäßigen Verteilung von Treibstoff und Oxidationsmittel in einem thermischen System arbeitet,

[0024] Fig. 3 eine Detailansicht des Treibstoffverteilungssystems gemäß Fig. 2 für die Zuleitung und Rückleitung von Treibstoff bei einer erfindungsgemäßen Brennerdüse,

[0025] Fig. 4a eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennerdüse,

[0026] Fig. 45 eine Seitenansicht E-E der Brennerdüse aus Fig. 4a, [0027] Fig. 5 eine Querschnittsansicht durch die Brennerdüse aus Fig. 4a,

[0028] Fig. 6 eine Detailansicht der Treibstoffzuleitung und Rückflussleitung der Brennerdüse aus Fig. 4a,

[0029] Fig. 7 eine weitere Schrägansicht der in Fig. 4a dargestellten Brennerdüse, [0030] Fig. 8 eine weitere Querschnittsansicht durch die Brennerdüse aus Fig. 4a,

[0031] Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel für die Durchtrittsöffnungen entlang des in Fig. 8 angedeuteten Schnitts B-B,

[0032] Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel eines als Zyklon ausgebildeten erfindungsgemäßen Brenners bzw. eine als Drallerzeuger (zyklonförmig ausgebildete Mischkammer eines Brenners),

[0033] Fig. 11 eine Draufsicht auf den Zyklon aus Fig. 10

[0034] Fig. 12 eine Ansicht des Zyklons aus Fig. 10 von unten,

[0035] Fig. 13 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brenners, [0036] Fig. 14 eine Schnittansicht A-A durch den Brenner aus Fig. 13.

[0037] In Fig. 1 ist schematisch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Injektionssystem für einen Brenner, beispielsweise eines Triebwerks, dargestellt. Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Injektion von Treibstoff bzw. Oxidationsmittel in einem thermischen System wird mittels einer zentralen Druck- und Volumenstrommessung für mehrere Brenner B-;, ..., B. gleichzeitig die Injektionsmenge des Treibstoffs in den jeweiligen Brenner B-, ..., Ba vorgegeben.

[0038] Über eine zentrale Zuleitung 2 wird Treibstoff in eine zentrale Druck- und Volumenstrommesseinheit 1 geleitet, die beispielsweise ein Drucksteigerungsventil aufweisen kann, das zur

Messung des Volumenstroms des Treibstoffs dienen kann. Der Treibstoff wird über Leitungen 4 zu den einzelnen Brennerdüsen BD-, ..., BD, die den Treibstoff in die jeweiligen Brenner B-, ..., Br injizieren, geleitet. Etwaiger in der zentralen Druck- und Volumenstrommesseinheit 1 vorhandener überschüssiger Treibstoff wird über eine Rückleitung 3 in z.B. ein Treibstoffreservoir rückgeführt. Die Fließrichtung des Treibstoffs ist in Fig. 1 durch schwarze Pfeile angegeben.

[0039] Auf den in den Leitungen 4 fließenden Treibstoff wird jedoch auf dem Weg zum jeweiligen Brenner B-4, ..., BA Bı, ..., Ba Wärme übertragen, die einerseits von der Verbrennung des TreibstoffOxidationsmittel-Gemischs im Brennraum des jeweiligen Brenners Bı:, ..., Ba und andererseits durch den Strom an heißer Luft, der meist um den jeweiligen Brenner B-;4, ..., Bn herum oder in diesen strömt erzeugt wird. Das Einwirken von Wärme ist in Fig. 1 mit Blockpfeilen symbolisch angedeutet. Der Treibstoff wärmt sich jedoch aufgrund der unterschiedlichen Rohrlängen zwischen der zentralen Druck- und Volumenstrommesseinheit 1 und den einzelnen Brennern B-4, ..., B. bzw. der daraus resultierenden, unterschiedlich langen Einwirkzeit von Wärme auf den Treibstoff inhomogen auf.

[0040] Da in den zu den einzelnen Brennern führenden Leitungen stets nur Treibstoff in Richtung der Brennerdüsen BD», ..., BD} geleitet wird, der auch tatsächlich in dem jeweiligen Brennraum des Brenners B-;, ..., Bn injiziert wird, ist auch der Massenstrom in den Leitungen 4 entsprechend gering, sodass es durch das Einwirken von thermischem Stress beispielsweise an den Außenwänden der Brennerdüsen BD», ..., BD zu einer Verkokung des Treibstoffs kommen kann. Dies führt zu einer zumindest teilweisen oder schlimmstenfalls vollständigen Verstopfung der jewelligen Brennerdüse BD-4, ..., BD».

[0041] Unter Verkokung wird im Zusammenhang mit der Erfindung eine Teilreaktion des Treibstoffes mit dem verdünnten Sauerstoff, der innerhalb des Treibstoffes transportiert wird verstanden, die zur Generierung von klebenden Partikeln führt. Vor allem tritt die Verkokung in den heißen Bereichen z.B. an den Wänden des Brenners auf und erhöht das Risiko einer Agglomerierung der Partikel des Treibstoffs im Querschnitt und einer dadurch resultierenden Verstopfung.

[0042] Die Folge sind eine schlechtere Vernebelung des Treibstoffes beim Austritt aus der jeweiligen Brennerdüse BD-:, ..., BD», eine schlechtere Verbrennung des Treibstoffs und damit schlechtere Abgaswerte.

[0043] Da der konventionelle Treibstofffluss zentral für alle vorhandenen Brenner B-, ..., Ba gemeinsam überwacht wird, ist es im Betrieb nicht möglich, zu ermitteln, ob eine jeweilige Brennerdüse BD-«, ..., BDA funktionsfähig oder verstopft ist. Dies kann erst bei einer etwaigen Wartung des Triebwerks überprüft werden. Eine Verstopfung einer Brennerdüse BD-+, ..., BD hat jedoch dramatische Auswirkungen auf den Wirkungsgrad des Triebwerks bzw. dessen Gasemissionen. Was zu geringen und oft unnötig kurzen Wartungsintervallen führt und die Kosten deutlich erhöht.

[0044] Die Erfindung schafft diesbezüglich Abhilfe. In Fig. 2 ist schematisch ein Treibstoffverteilungssystem dargestellt, mit dem ein Verfahren zur gleichmäßigen Verteilung von Treibstoff und Oxidationsmittel innerhalb eines thermischen Systems mit kontinuierlicher Strömung, wie beispielsweise einer Brennerdüse BD eines Triebwerks, durchgeführt werden kann.

[0045] Beim in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Treibstoffverteilungssystems ist eine Druckregeleinheit D über Treibstoffzuleitungen ZL mit einer Anzahl von Brennerdüsen BD-4, ..., BD, verbunden. Die Fließrichtung des Treibstoffs ist durch Pfeile angegeben. Die Druckregeleinheit D stellt den Vordruck des Treibstoffs in den Zuleitungen ZL ein.

[0046] Unter dem Vordruck des Treibstoffs wird im Zusammenhang mit der Erfindung derjenige statische Druck verstanden, der nach der Druckregeleinheit D und vor der jeweiligen Brennerdüse BD+4, ..., BD, auf dem in den Zuleitungen ZL befindlichen Treibstoff anliegt. Dieser Vordruck wird auch als Head Pressure oder Generative Pressure bezeichnet.

[0047] Über eine zentrale Zuleitung 2 wird Treibstoff zur Druckregeleinheit D geleitet und über Treibstoffzuleitungen ZL zu den einzelnen Brennerdüsen BD», ..., BD, verteilt. Die Brennerdüsen BD+4, ..., BD} injizieren den Treibstoff in dem Brennraum des jeweiligen Brenners B-;, ..., Bn, wo

der Treibstoff vermengt mit Oxidationsmittel verbrannt wird. Dabei wird der Massenstrom des Treibstoffs in den Zuleitungen ZL von der Druckregeleinheit über den Vordruck so eingestellt, dass nur ein Anteil des Treibstoffs aus der jeweiligen Brennerdüse BD-4, ..., BDA in den Brennraum injiziert wird. Auf diese Weise wird ein bis zu doppelt so großer Treibstoffzufluss zu den Brennerdüsen erzielt, als dies bei aus dem Stand der Technik bekannten Systemen der Fall ist. Der Massenstrom des Treibstoffs zu den einzelnen Brennern B-;, ..., Ba und der Treibstoffrückfluss wird zur Einstellung der Treibstofftemperatur im jeweiligen Brenner B-:, ..., Ba verwendet und damit die Temperatur des Treibstoffs an den Injektionsöffnungen IO geregelt. Derart wird die Energieeffizienz verbessert und die Verbrennung optimiert.

[0048] Da nur ein Anteil des Treibstoffs, z.B. 3/4 abhängig von der benötigten Kühlwirkung des rückgeführten Treibstoffes, tatsächlich in den Brennraum injiziert wird, wird der nicht in den Brennraum injizierte Restanteil des Treibstoffs aus der jeweiligen Brennerdüse BD-, ..., BD über eine Rückflussleitung RL abgeführt und in einer Sammelleitung SL gesammelt. Die Sammelleitung SL mündet im Ausführungsbeispiel in Fig. 2 in der Druckregeleinheit D, von wo aus der Treibstoff mittels einer Treibstoff-Rückleitung 3 in ein Treibstoffreservoir wie beispielsweise einem Tank rückgeführt oder dem Verbrennungsprozess im jeweiligen Brennraum anderweitig wieder zugeführt wird. Die Druckregeleinheit D kann dabei als Wärmetauscher genutzt werden, um mit dem heißeren, in der Sammelleitung SL rückgeführten Treibstoff-Restanteil, den kühleren, aus der Zuleitung 2 aus dem Treibstoffreservoir in die Druckregeleinheit D eingeleiteten Treibstoff z.B. über einen zwischen den Leitungen integrierten Wärmetauscher vorzuwärmen.

[0049] Der Restanteil des Treibstoffs kann somit optional zur Temperaturregelung des aus der jeweiligen Brennerdüse BD-, ..., BD. in den Brennraum des jeweiligen Brenners B-;4, ..., Br. injizierten Treibstoffanteils verwenden werden. Dazu wird das Verhältnis des Restanteils des Treibstoffs zu dem aus der jeweiligen Brennerdüsen BD-4, ..., BD. in den Brennraum injizierten Treibstoffanteil derart gewählt bzw. eingestellt, dass in den einzelnen Brennerdüsen BD-4, ..., BD, eine homogene Temperaturverteilung, also die gleiche Temperatur, oder ein homogener Temperaturgradient, also ein gleichmäßiger Temperaturanstieg, entlang des Strömungswegs des Treibstoffs in Richtung der Injektionsöffnungen innerhalb der Brennerdüse BD-x, ..., BD} vorliegt. Somit kann die Temperatur des Treibstoffs innerhalb der einzelnen Brennerdüsen BD-+, ..., BD, und dem Treibstoffverteilungssystem unterhalb der kritischen Verkokungstemperatur des jeweiligen Treibstoffs gehalten werden und eine gleichmäßige Treibstofftemperatur bei den Injektionsöffnungen IO gewährleistet werden.

[0050] Die Druckregeleinheit D des Treibstoffverteilungssystems umfasst dazu im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Pumpenelement, das einen Massenstrom an Treibstoff in den Treibstoffzuleitungen ZL derart erzeugt, dass der Restanteil des Treibstoffs die Temperatur des in den Brennraum injizierten Treibstoffanteils regelt und der Treibstoff in der Druckregeleinheit D durch den Restanteil des Treibstoffs erwärmt wird.

[0051] Dies kann beispielsweise durch ein in der Druckregeleinheit D angeordnetes Kreiselpumpenelement oder Drehkolbenpumpenelement erzielt werden, das Treibstoff mit hohen Drücken in die Treibstoffzuleitungen ZL pumpt. Das Treibstoffverteilungssystem ist dabei so ausgelegt, dass ein großer Massenfluss an Treibstoff bei einem vorgegebenen Vordruck bzw. Head Pressure erzielt wird. Je höher der Massenfluss desto höher ist auch der Druck in den Treibstoffzuleitungen ZL.

[0052] Auf diese Weise kann der Temperaturunterschied zwischen den einzelne Brennern B-, ..., B gering gehalten oder dieser vermieden werden, da eine viel größere Menge an Treibstoff zugeführt wird, als über die Injektionsöffnungen IO der Brennerdüsen BD-«, ..., BD, in den Brennraum des jeweiligen Brenners B-;, ..., Br injiziert wird. Da die von der Verbrennung in der Brennkammer bzw. dem Gasstrom stammende Wärme nun auf einen größeren Massenstrom an Treibstoff einwirkt, wird die Temperatur des Treibstoffs im Vergleich zu bekannten Verfahren weniger stark erhöht und somit eine Verkokung des Treibstoffs in den Treibstoffzuleitungen ZL bzw. den Brennerdüsen BD-, ..., BD} verhindert.

[0053] Der nicht injizierte Restanteil des Treibstoffs aus den einzelnen Brennerdüsen BD-+, ...,

BD} wird in eine gemeinsame Sammelleitung SL geleitet. Dazu können die einzelnen Brennerdüsen BD», ..., BD» jeweils eine in die Sammelleitung SL mündende Rückflussleitung RL4, ..., RLn aufweisen, worauf im Folgenden noch näher eingegangen wird.

[0054] Für einen vorgegebenen Vordruck bzw. Head Pressure stellt beispielsweise eine in der Sammelleitung SL angeordnete Düse, Ventil oder ein Regelventil V2 (Fig. 3) den nicht injizierten Restanteil des Treibstoffs ein. Auf diese Weise wird der Treibstofffluss im Treibstoffverteilungssystem nicht wie beim Stand der Technik volumenbasiert eingestellt, sondern druckbasiert. Die Anwendung eines Regelventils V2 findet vor allem bei stationären Gasturbinen Anwendung, da das Gewicht und Volumen von zusätzlichen Geräten bei diesen sich nicht negativ auswirkt.

[0055] Optional kann wie in Fig. 3 dargestellt, in den Treibstoffzuleitungen ZL zu den Brennern B;, ..., Ba oder einer Gruppe von Brennern B-4, ..., B, ein Ventil V1 angeordnet sein. Das Ventil V1 der Fig. 1 kann beispielsweise als Sperrventil ausgeführt sein und die Treibstoffzuleitungen ZL zu den Brennern B-4, ..., Bn bzw. Brennerdüsen BD», ..., BD, einzeln zu oder abschalten, so kann beispielsweise eine gestufte Verbrennung gewährleistet werden und einzelne Brenner oder Brennergruppen je nach Bedarf zu oder abgeschaltet werden.

[0056] Der Vordruck bestimmt somit die Menge des eingespritzten Treibstoffanteils und des wieder rückgeführten Restanteils. Der Massenstrom für die Einspritzung entspricht dem in den Treibstoffzuleitungen ZL zugeführten Massenstrom abzüglich des Massenstroms der über die Rückflussleitungen RL wieder zurück fließt. Der Durchmesser der Injektionsöffnungen IO ist so gewählt, dass der Massenstrom pro Injektionsöffnung IO einer Funktion F1 entspricht:

[0057] M Treibstoff pro Injektionsöffnung IST = MTreibstoff ref * (Pvordruck Kammer IST / Pvordruck Kammer ref) 0.5 (F1)

[0058] Wobei M Treibstoff ref und Pvordruck Kammer ref bekannte Kennwerte sind, und Pvordruck Kammer IST sehr nah an dem Druck, der in dem Massenstrom des Restanteils bzw. der Sammelleitung SL gemessen wird, liegt und Pvordruck Kammer Ist den Massenstrom des Treibstoffes pro Brennerdüse BD-, ..., BD. und den Treibstoffmassenstrom in der Sammelleitung SL, für eine gewisse Treibstofftemperatur, einstellt. Die Sammelleitung SL mündet, wie zuvor beschrieben, in einer Düse, Ventil oder einem Regelventil die nach dem gleichen Prinzip funktionieren.

Zur Kontrolle des Verfahrens können die Temperatur und Druckmessung im Massenstrom des Restanteils bzw. der Sammelleitung SL herangezogen werden. Sollte der gemessene Druck steigen und die Temperatur fallen, bedeutet dies, dass ein zu großer Restanteil an Treibstoff in die Sammelleitung SL fließt, wodurch darauf geschlossen werden kann, dass manche Injektionsöffnungen IQ verstopft sind.

[0059] Vorteile hiervon sind, dass eine verbesserte Überwachung des Treibstoffflusses im Treibstoffverteilungssystem möglich ist, wodurch eine verbesserte Überwachung des Verbrennungsprozesses und eine Verringerung der durch Verkokung der Brennerdüsen BD-+:, ..., BDA verursachten Emissionen möglich ist.

[0060] Liegen starke Temperaturunterschiede bzw. ein großer Temperaturgradient innerhalb des Treibstoffs vor bzw. variiert die Temperatur des Treibstoffs zwischen verschiedenen Injektionspunkten bzw. -Öffnungen IO, führt dies zu einer Verzögerung der Verdampfung im Brennraum des jeweiligen Brenners B-, ..., B.. Dies führt zu Inhomogenitäten in der Mischung der Reaktanten, was wiederum zu höheren Gasemissionen führt.

[0061] Steigt die Temperatur des Treibstoffs beispielsweise bei Kerosin über 80°C besonders kritisch über 150°C, besteht, wie bereits zuvor erwähnt, die Gefahr einer Verkokung des Treibstoffs an den Wänden der Treibstoffzuleitungen ZL bzw. der Brennerdüsen BD. Um dies zu vermeiden kann eine Brennerdüse BD einerseits eine Rückflussleitung RL aufweisen, die in der jeweiligen Brennerdüse BD derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der nicht injizierte Restanteil des Treibstoffs in der Sammelleitung SL gesammelt wird. Über die Sammelleitung SL wird der Restanteil des Treibstoffs schließlich, wie zuvor beschrieben, in ein Treibstoffreservoir rückgeführt oder den Verbrennungsprozess anderwärtig wieder zugeführt.

[0062] Fig. 4a und Fig. 4b zeigen ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Brennerdüse BD, die

eine Treibstoffzuleitung ZL, mit der Treibstoff in die Brennerdüse BD einleitbar ist und eine Anzahl von Injektionsöffnungen IO, über die ein Anteil des Treibstoffs aus der Brennerdüse BD in den Brennraum eines Brenners B-, ..., B} injiziert wird, umfasst. Der nicht injizierte Anteil des Treibstoffs fließt über die Rückleitung RL wieder aus der Brennerdüse aus und in die Sammelleitung SL, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

[0063] Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine erfindungsgemäße Brennerdüse BD zur optimalen Verteilung von Treibstoff in einem Brenner B eine Anzahl von Kammern K aufweisen, die sequentiell miteinander über Kommunikationsöffnungen KO verbunden sind. Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht durch eine derartige erfindungsgemäße Brennerdüse BD aus Fig. 4a bzw. 4b, die einen derartigen Aufbau mit vier Kammern K;, ..., Kı aufweist.

[0064] Als sequentiell miteinander verbunden wird im Zusammenhang mit der Erfindung verstanden, dass die einzelnen Kammern K;, ..., Kı der Brennerdüse BD jeweils derart miteinander verbunden sind, dass sie nacheinander mit Treibstoff befüllt werden. Dies bedeutet, dass, erst wenn eine Kammer z.B. die erste Kammer K; gefüllt ist, die an diese anschließende, mit der befüllten Kammer verbundene, Kammer z.B. die zweite Kammer K,; gefüllt wird, bis Treibstoff in der letzten Kammer K4 angekommen ist.

[0065] Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht der Brennerdüse BD aus den Fig. 4a, 450 und 5. Aus der Kombination von Fig. 6 mit Fig. 5 ist ersichtlich, dass Treibstoff aus der Zuleitung ZL in die erste Kammer K; eingeleitet wird. Die Pfeile in Fig. 5 geben die Fließrichtung des Treibstoffs innerhalb der Kammern K;, ..., Kı an. Die Kommunikationsöffnungen KO zwischen den Kammern K+4, ..., Ka sind derart ausgebildet, dass Treibstoff aus der Treibstoffzuleitung ZL in die erste Kammer K; eintritt und diese füllt. Ist die erste Kammer K; vollständig gefüllt, wird die daran anschließende Kammer K; gefüllt, gefolgt von der Kammer K;3 und schließlich der zuletzt angeordneten letzten Kammer K-, in der die Injektionsöffnungen IO angeordnet sind. Uber die Injektionsöffnungen IO wird der Treibstoff in den Brennraum des jeweiligen Brenners B injiziert. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Temperatur und Massenstromverteilung des Treibstoffs innerhalb der Brennerdüse BD gewährleistet und eine gleichmäßige Verteilung des Treibstoffs aus den einzelnen InjektionsÖffnungen IO sichergestellt.

[0066] Die sequentielle Füllung der Kammern K-;, ..., Kı der Brennerdüse BD ist auch in Fig. 7 schematisch dargestellt, wo zusätzlich die in die erste Kammer K; mündende Treibstoffzuleitung ZL und die an die letzte Kammer Kı angeschlossene Rückflussleitung RL schematisch dargestellt sind. Wie bereits zuvor beschrieben, wird der nicht in den Brennraum injizierte Restanteil des Treibstoffs über die Rückflussleitung RL in eine beispielsweise in Fig. 2 dargestellte Sammelleitung SL geleitet, von wo aus der Treibstoff in ein Treibstoffreservoir rückgeführt oder dem Verbrennungsprozess wieder zugeführt wird.

[0067] Wie in den Fig. 5, 6, 7 und 8 ersichtlich ist, weist die Brennerdüse BD optional im gezeigten Ausführungsbeispiel eine längliche Form auf und ist als Prisma mit einer dreieckigen Querschnittsfläche ausgebildet. Alternativ dazu kann eine erfindungsgemäße Brennerdüse BD auch einen anderen, z.B. quadratischen oder sechseckigen, Querschnitt aufweisen oder beispielsweise als Zylinder ausgebildet sein.

[0068] Wie insbesondere in den Fig. 5 und 8 ersichtlich ist, sind die Kammern K+, ..., Kı der Brennerdüse BD gleich ausgebildet, weisen einen gleichen Querschnitt auf und sind gleichmäßig über den Querschnitt der Brennerdüse BD verteilt angeordnet. Die Kammern K;, ..., Kı erstrecken sich längs der Brennerdüse BD, d.h. längs der Achse des Prismas, als das die Brennerdüse BD im gezeigten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist.

[0069] Wie in Fig. 9 im Detail ersichtlich ist, sind die Kammern K-+, ..., Kı über KommunikationsÖffnungen KO derart miteinander verbunden, dass der eingeleitete Treibstoff zunächst die am Außenumfang der Brennerdüse BD angeordneten Kammern, d.h. die Kammern K-, Kz, Ka, füllt. Die letzte Kammer K-, in der die Injektionsöffnungen IO angeordnet sind und an die die Rückflussleitung RL angeschlossen ist, wird zuletzt gefüllt.

[0070] Dies führt dazu, dass vorteilhafterweise der kühlere Treibstoff zunächst die Kammern K\,

Ko, Kae, in den Ecken der dreieckigen prismatischen Brennerdüse BD füllt, sodass er bereits weiter aufgewärmt in der letzten Kammer Kı anlangt. Diese sequenzielle Füllung der Kammern K;, ..., Kı führt zu einer Verlängerung der Aufenthaltszeit des Treibstoffs in der jeweiligen Brennerdüse BD, sodass der Treibstoff regelmäßiger und homogener vorgewärmt wird, als bei bekannten Brennerdüsen, durch die der Treibstoff einfach hindurchgeleitet und die Temperatur nicht kontrolliert eingestellt wird.

[0071] Die sequentielle Befüllung der Kammern K;, ..., Ka führt vorteilhafterweise auch zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung entlang der Achse der Brennerdüse BD, was zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung des in den Brennraum injizierten Treibstoffs entlang der Länge der Brennerdüse BD und auch zu einer gleichmäßigen Injektion führt. Die gleichmäßige Verteilung der Temperatur führt zu einer schnelleren Verdampfung des Treibstoffs im Brennraum des Brenners BD.

[0072] Für eine optimale Injektion von Treibstoff in dem Brennraum des jeweiligen Brenners B sind im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Injektionsöffnungen IO pro Zentimeter Länge der letzten Kammer K4 angeordnet. Alternativ dazu kann die Anzahl der Injektionsöffnungen IO pro Zentimeter Länge zwischen 1 und 4 liegen.

[0073] Die äußere Kantenlänge der Brennerdüse BD ist im Ausführungsbeispiel in den Fig. 4a bis Fig. 9 10-fach größer, als der Durchmesser einer Kommunikationsöffnung KO. Bei einer zylindrisch ausgebildeten Brennerdüse BD kann die Höhe der Brennerdüse BD beispielsweise 4 bis 10-fach größer gewählt sein, als der Durchmesser einer Kommunikationsöffnung KO.

[0074] Die Form der Kommunikationsöffnungen KO ist weiters so ausgestaltet, dass der Druckverlust, wenn der Treibstoff durch eine Kommunikationsöffnung KO strömt, geringer ist, als der Druckverlust des Treibstoff beim Durchströmen der Injektionsöffnung IO, sodass sich innerhalb der Brennerdüse BD Druck aufbaut. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Druckverteilung über die gesamte Länger der Kammer K4 bzw. der Brennerdüse BD, sodass bei jeder Injektionsöffnung IO exakt die gleiche Menge Treibstoff injiziert wird.

[0075] Ein mit erfindungsgemäßen Brennerdüsen BD ausgestatteter Brenner B ist schematisch in den Fig. 13 und Fig. 14 dargestellt. Ein derartiger Brenner B umfasst einen Brennraum und einen Strömungskonditionierer SK mit einem Strömungskonditionierereingang, über den das Oxidationsmittel in den Strömungskonditionierer SK einströmt, und einen relativ zum Strömungskonditionierereingang verengten Strömungskonditioniererausgang. Als Oxidationsmittel kommen beispielsweise Luft oder Sauerstoff in Frage.

[0076] Weiters umfasst der Brenner B eine Mischkammer MK auf, in der der von den Brennerdüsen BD injizierte Treibstoff mit dem Oxidationsmittel vermischt wird. Der Strömungskonditioniererausgang mündet in den Mischkammereingang des Brenners B. Uber den Strömungskonditionierer SK strömt somit Oxidationsmittel in verdichteter Form in die Mischkammer MK des jeweiligen Brenners B ein. Der Mischkammerausgang des Brenners B mündet in den Brennraumeingang des Brenners B. Im Brennraum des Brenners B wird das in der Mischkammer MK hergestellte Oxidationsmittel- Treibstoff-Gemisch verbrannt.

[0077] Zusätzlich kann ein derartiger Brenner B auch eine Zustandsüberwachungseinheit ME aufweisen, die den Betriebszustand des jeweiligen Brenners B ermittelt. Eine derartige Zustandsüberwachungseinheit ME ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Die Zustandsüberwachungseinheit ME ermittelt dabei jeweils den Betriebszustand eines einzelnen Brenners B. Mittels der Zustandsüberwachungseinheit ME wird der Druck und/oder die Temperatur und/oder der Massenstrom des in dem Brennraum des Benners B strömenden Oxidationsmittels und/oder des injizierten Treibstoffs gemessen. Das Ventil V1 ist in den Treibstoffzuleitungen ZL der einzelnen Brennern B oder einer Gruppe von Brennern B angeordnet und ist als Sperrventil ausgebildet und erlaubt eine Stufung der Verbrennung, sodass einzelne Brenner, z.B. jeder dritte, jeder zweite oder alle Brenner, abgeschaltet oder zugeschalte werden können. Das Aggregat V2 summiert die Funktion eines Druckabbaus und eines Rückschlagventils auf, das einen Rückfluss des Treibstoffes aus der Sammelleitung SL in die Brennerdüse BD vermeidet. Der Druckabbau kann wie

beschrieben entweder durch eine Düse oder optional durch ein Regelventil erreicht werden, wenn Gewicht und Volumen keine Rolle spielen, wie zB für stationäre Gasturbinen.

[0078] Beim in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Zustandsüberwachungseinheit ME wird für den Treibstoff die Temperatur und der statische Druck in der Rückflussleitung RL eines jeden Brenners B gemessen. Hierbei ist die Messung des statischen Drucks von Vorteil, da daraus die Menge des injizierten Treibstoffs besser bestimmt werden kann. Optional kann ein zusätzlicher Differenzdruckmesser in Form einer Pitot-Sonde in die Rückflussleitung RL eingebaut werden, was zusätzliche Informationen über die Menge an nicht injiziertem Restanteil des Treibstoffs liefert. Weicht die aktuell gemessene Menge an Restanteil von einem zuvor ermittelten Mittelwert ab, deutet dies auf eine lokale Störung in der Strömung hin, die meist durch Verkokungen und damit teilweisen oder vollständigen Verstopfungen in den Brennerdüsen BD hervorgerufen wird.

[0079] Somit kann die Zustandsüberwachungseinheit ME die Differenz zwischen dem Druck des Treibstoffs in der Brennerdüse BD und demjenigen Druck, der durch die Druckregeleinheit D auf den Treibstoff aufgebracht wird, ermittelt werden. Liegt eine Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Brennerdüse BD und den durch die Druckeinheit D aufgebrachten Druck vor, wird der Massenstrom des Treibstoffs in der Brennerdüse BD ermittelt und mit einem zu erwartenden Massenstrom verglichen. Der Massenstrom ist abhängig von dem Druckverlust zwischen der Zuleitung ZL und der Rückflussleitung RL. Ist dieser Druckverlust fast Null fließt kein Treibstoff, zB alle Löcher sind verstopft, und es findet keine Injektion über die Injektionsöffnungen IO statt. Sollte dieser Druckverlust zwischen der Zuleitung ZL und der Rückflussleitung RL zu hoch sein kann dies z.B. bedeuten, dass zu viel Treibstoff fließt, was z.B. eine Leckage bedeuten könnte. Das Ergebnis des Vergleichs wird zur Ermittlung des Betriebszustands der Brennerdüse BD und/oder des Brenners B herangezogen.

[0080] Für die Überwachung des Oxidationsmittels kann die Zustandsüberwachungseinheit ME optional eine Differenzdruckmessung zwischen dem Eingang und Ausgang der Mischkammer MK des Brenners B typischerweise am engsten Querschnitt kurz vor dem Brennraum bzw. der Flamme des Brenners B und eine zusätzliche Temperaturmessung umfassen. Beim Ein- und Ausgang an dem Strömungskonditionierer sind Temperaturmessstellen gleich wie die Druckmessstellen die in Fig. 14 gezeigt werden angeordnet. Damit kann der Massenstrom des Oxidationsmittels in den Brennraum abgestimmt werden. Sollte der Druckverlust, der bei der Differenzdruckmessung ermittelt wird, Null sein, deutet dies darauf hin, dass der Brenner B verstopft ist.

[0081] In diesem Fall kann optional mittels der Zustandsüberwachungseinheit ME am Strömungskonditioniererausgang der Druck des in den Brenner B injizierten Oxidationsmittels ermittelt und mit dem Druck des Oxidationsmittels am Strömungskonditionierereingang verglichen werden. Dabei wird die Druckdifferenz zwischen dem Druck des in die Mischkammer MK strömenden, verdichteten Oxidationsmittels und dem Druck des Oxidationsmittels am Strömungskonditionierereingang ermittelt und zur Bestimmung des Massenstroms des in den Brennraum injizierten Oxidationsmittels herangezogen wird. Der derart ermittelte Massenstrom kann schließlich zur Beurteilung des Betriebszustands des Brenners B verwendet werden.

[0082] Die Druckdifferenz zwischen dem Druck des Oxidationsmittels am Strömungskonditionierereingang und am Strömungskonditioniererausgang bzw. Mischkammereingang kann z.B. nach dem Venturi-Prinzip ermittelt werden. Dazu wird eine Messung des statischen Drucks pswirler AM Strömungskonditionierereingang und des Drucks pyenuri am Strömungskonditioniererausgang vorgenommen. Das Oxidationsmittel passiert den Strömungskonditionierereingang mit einer Querschnittsfläche Ain und verlässt den Strömungskonditionierer durch den Strömungskonditioniererausgang mit der Querschnittsfläche Arer, wobei A,eMair = P* Vref * Aref [0083] Die Differenz der beiden gemessenen Drücke liefert den Druckverlust im Strömungskon

[0083] Die Differenz der beiden gemessenen Drücke liefert den Druckverlust im Strömungskon-

ditionierer SK, der mit dem dynamischen Druck in Beziehung steht. Der dynamische Druck payn liefert Informationen über den Oxidationsmittel-Massenstrom:

Ap = ApPyenturi + ADswirter Aref 2 ÄPventuri = Payn,ref 1— A; in Pswirter = PayninC din — Paynref Cdref

— 1.2 — Ain . Payn,ref = „PVref and Vref = Aref in

[0084] Dabei gibt Cd den experimentell bestimmten, singulären Druckverlust-Koeffizienten am Strömungskonditionierereingang in Bezug auf die jeweils betrachtete Querschnittsfläche an

Aref 7 Cdref = = ) Cdin in

[0085] Die Geschwindigkeit des Oxidationsmittels am Strömungskonditioniererausgang Vrer Ist

eine Funktion des Gesamtdruckverlusts, der beispielsweise mit einem Differentialdrucksensor gemessen werden kann:

Vref =

[0086] Optional kann zusätzlich oder alternativ dazu der Druckverlust innerhalb der Mischkammer MK des jeweiligen Brenners B gemessen werden, wie dies in Fig. 13 und 14 dargestellt ist und/oder der Massenstrom des Treibstoffs in der Brennerdüse BD bestimmt werden.

Optional kann auch die Temperatur im Brenner B ermittelt und mit der kritischen Verkokungstemperatur des jeweiligen Treibstoffs verglichen werden, und derart ermittelt werden, ob die kritische Verkokungstemperatur des jeweiligen Treibstoffes überschritten wird.

[0087] Eine weitere Optimierung der Verbrennung von Treibstoff gemischt mit Oxidationsmittel kann bei einem erfindungsgemäßen Brenner B, wie er in Fig. 13 und 14 dargestellt ist, optional erzielt werden, wenn die Mischkammer MK des Brenners B als Zyklon ausgebildet ist. Detailansichten eines derartigen Zyklons beispielweise für Energiemaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Industriebrennern, sind in den Fig. 10 bis 12 dargestellt.

[0088] Wie in Fig. 10 bis 12 ersichtlich ist, ist die Brennerdüse BD dabei jeweils am Zugang zum Zyklon bzw. zur Mischkammer MK angeordnet und Luft oder Oxidationsmittel gelangt tangential in den Zyklon, was durch die Pfeile am Zugang zum Zyklon angedeutet ist. Ist die Luft in den Zyklon geströmt, wird sie axial dazu aus dem Zyklon ausgeleitet, wie dies in Fig. 10 und 11 ersichtlich ist. Innerhalb dieses Luftwirbels befindet sich die Brennerdüse BD, sodass der Luftwirbel die eingespritzten Treibstofftröpfchen mit sich reißt. Dies führt zu einer Vormischung von Luft bzw. Oxidationsmittel und Treibstoff durch Verwirbelung sowie zu einer Luftführung bzw. Luftaufsplittung.

[0089] Die gute Durchmischung von Luft und Treibstofftröpfchen noch vor dem Eintritt in den Brennraum führt zu einer noch gleichmäßigeren Verbrennung, bei der weniger Gasemissionen entstehen.

[0090] In Fig. 14 ist ein erfindungsgemäßer Brenner B der beispielsweise in Triebwerken für Flugzeuge Anwendung findet. Der Brenner B besteht aus einem Strömungskonditionierer SK und einer Brennerdüse BD. Die Bernerdüse BD und die Injektionsöffnungen IO der Brennerdüse BD sind im Bereich des Flaschenhalses des Brenners B angeordnet, sodass der Treibstoff am Niveau des Flaschenhalses innerhalb des Brenners B eingespritzt bzw. injiziert wird. Der erfindungsgemäße Brenner B bzw. dessen Strömungskonditionierer SK ist als Venturi-Ähnlicher Wirbelhalter ausgebildet, um die Strömung durch diesen zu beschleunigen und somit vor Flashbacks zu schützen. Das Oxidationsmittel strömt innerhalb des Strömungskonditionierers SK entlang der

durch die in Fig. 14 dargestellten Pfeile und wird dann mit dem injizierten Treibstoff in der Mischkammer MK vermengt. Weiters weist der Brenner B integrierte Instrumentierung zu Druck- und Temperaturmessung, sowie eine nicht dargestellte Zündeinrichtung auf. Die Druck- und Temperaturmessung erfolgt jeweils am Eingang des Strömungskonditionierers SK und in dem Flaschenhals, so kann eine Druckdifferenz Ap und Temperaturdifferenz AT erfasst werden. Ein mittig platzierter Pilotbrenner gewährleistet eine Hauptflamme, die für die Verbrennung notwendig ist. Innerhalb des Brenners B wird der Drall über einen sogenannten Swirler erzeugt und schafft somit eine drall-stabilisierte Flamme.

[0091] Alternativ kann der Brenner B bzw. der Strömungskonditionierer SK als Zyklon ausgebildet sein. Dabei ist dieser so ausgebildet, dass Luft und Treibstoff seitlich eingeführt werden und durch die Form des Zyklons eine starken tangentialen Impuls verursachen, der selbst eine Verwirbelung die für die Stabilisierung einer Flamme günstig ist erzeugt.

[0092] Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Brenner B bzw. Brennerdüsen BD, Treibstoffverteilungssystem und Zustandsüberwachungseinheiten ME können in einem Triebwerk für beispielsweise Flugzeuge eingesetzt werden. Optional können erfindungsgemäße Brenner B auch in stationären Gasturbinen oder Industriebrennern oder anderen aus dem Stand der Technik mit Brennern B ausgestatteten Vorrichtungen verwendet werden.

Claims (10)

1. Patentansprüche 1. Brennerdüse (BD; BD-, ..., BD») zur optimalen Verbrennung von Treibstoff in einem Brenner umfassend

   - eine Treibstoffzuleitung (ZL), in der Treibstoff in die Brennerdüse (BD; BD-, ..., BD}) einleitbar ist, und

   - eine Anzahl von Injektionsöffnungen (IO) über die ein Anteil von in der Brennerdüse (BD; BD-+, ..., BD») befindlichem Treibstoff aus der Brennerdüse (BD; BD-+, ..., BD») in einen Brennraum injizierbar ist,

   dadurch gekennzeichnet, dass

   die Brennerdüse (BD; BD-+, ..., BD) eine Anzahl von Kammern (K;, ..., Ka) aufweist, die se-

   quentiell miteinander über Kommunikationsöffnungen (KO) verbunden sind,

   - wobei Treibstoff aus der Treibstoffzuleitung (ZL) in die erste Kammer (K;) einleitbar ist und aus der letzten Kammer (K.) über die Injektionsöffnungen (IO) in den Brennraum injizierbar ist,

   - wobei die Kommunikationsöffnungen (KO) derart ausgebildet sind, dass Treibstoff über zumindest eine Kommunikationsöffnung (KO) aus der Treibstoffzuleitung (ZL) in eine erste Kammer eintritt und diese füllt, und dass nach vollständiger Füllung der ersten Kammer (K:) die an die erste Kammer (K+;) anschließende Kammer (K>) gefüllt wird, sodass eine sequentielle Füllung der Kammern mit Treibstoff erfolgt,

   - wobei die Injektionsöffnungen (10) in der letzten Kammer (K.) angeordnet sind, sodass eine gleichmäßige Temperaturverteilung und Massenstromverteilung innerhalb der Brennerdüse (BD; BD-, ..., BD») und eine gleichmäßige Verteilung des Massenstroms aus den einzelnen Injektionsöffnungen (10) vorliegen.
2. 2. Brennerdüse (BD; BD-, ..., BD») nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdüse (BD; BD-4, ..., BD») länglich, insbesondere in Form eines Prismas oder Zylinders ausgebildet ist, und vorzugsweise eine dreieckige Querschnittsfläche aufweist.
3. 3. Brennerdüse (BD; BD-«, ..., BD») nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern der Brennerdüse (BD; BD»x, ..., BDA) gleich ausgebildet sind und gleichmäßig über den Querschnitt der Brennerdüse (BD; BD-4, ..., BD.) verteilt angeordnet sind.
4. 4. Brennerdüse (BD; BD-x, ..., BD») nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern sich längs der Brennerdüse (BD; BD-+, ..., BD»), insbesondere entlang der Achse des Prismas oder Zylinders, erstrecken und dass die Kammern (K;, ..., Kn) derart in der Brennerdüse (BD; BD-«, ..., BDA.) angeordnet und sequentiell über die Kommunikationsöffnungen (KO) miteinander verbunden sind, dass der eingeleitete Treibstoff zuerst die am Außenumfang der Brennerdüse (BD; BD», ..., BD.) angeordneten Kammern füllt.
5. 5. Brennerdüse (BD; BD-«, ..., BD.) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kantenlänge oder die Höhe der Brennerdüse (BD; BD-4, ..., BD») ca. zehnfach größer ist, als der Durchmesser der Kommunikationsöffnung (KO).
6. 6. Brennerdüse (BD; BD-«, ..., BD.) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Längserstreckung der jeweiligen Kammer (K-, ..., Kn) zwischen 1 und 4, insbesondere 2, Injektionsöffnungen pro cm Länge der Kammer (K;, ..., Kn) angeordnet sind.
7. 7. Brenner (B; Bı, ..., Bn) zur Verbrennung von mit Oxidationsmittel vermengtem Treibstoff umfassend eine Brennerdüse (BD; BD-4, ..., BD») und einen Brennraum, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdüse (BD; BD-+, ..., BDA) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
8. 8. Brenner (B; B-;, ..., B.) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (MK) des Brenners (B; B-:, ..., B.) als Drallerzeuger, Wirbelgenerator oder Zyklon ausgebildet ist.
9. 9. Triebwerk umfassend einen Brenner (B; B;, ..., Bn) nach einem der Ansprüche 7 oder 8.
10. 10. Gasturbine umfassend einen Brenner (B; B-, ..., Bn) nach einem der Ansprüche 7 oder 8.

    Hierzu 5 Blatt Zeichnungen