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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung mit einer Brennkammer und mit mehreren Brennern mit jeweils mindestens einem Lufteinlass und mindestens einem Brennstoffeinlass, wobei die Brenner jeweils ein Mischrohr aufweisen und in die gemeinsame Brennkammer einmünden, und wobei das den Brennstoffeinlass bildende Brennstoffeinlassrohr innerhalb des Lufteinlasses angeordnet ist, wodurch der Brennstoff beim Eintritt in das Mischrohr von Luft umhüllbar ist.
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Bei industrieller atmosphärischer Ofenverbrennung wurde ein Verbrennungskonzept zur Minimierung des Stickoxidausstoßes entwickelt, das eine flammenlose Oxidation besitzt, das FLOX-Verfahren.
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Aufgrund der positiven Erfahrungen des FLOX-Verfahrens wird seit einigen Jahren die FLOX-Verbrennung auch bei Gasturbinenanwendungen eingesetzt, um die Vorteile dieses Verfahrens auf andere Anwendungen zu übertragen.
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Die Gasturbinenverbrennung ist zumeist durch hohe Drücke und hohe Leistungsdichte gekennzeichnet. Eine wesentliche und auch zwingende Anforderung beim Betrieb moderner Gasturbinen besteht in der Modulation der Leistung auf hohem Leistungsdichteniveau.
DE 102 17 913 A1 beschreibt eine erste Verbrennungsvorrichtung für eine Gasturbine, bei der FLOX-Verbrennung umgesetzt wird.
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Die Schwierigkeiten, die sich bei einer derartigen Technologie ergeben, liegen in der Kontrolle der Schadstoffemission sowie der Verbrennungsstabilität über den geforderten Leistungsbereich.
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Bei der FLOX-Verbrennung erfolgt eine Verminderung der (thermischen) Stickoxidemission durch eine Reduzierung der lokalen Flammentemperaturen. Diese erfolgt durch Brennstoffüberschuss im Falle der unterstöchiometrischen Mischung und im Falle einer überstöchiometrischen Mischung durch Luftüberschuss. Beiden Fällen dient der überschüssige, bei der chemischen Reaktion nicht beteiligte Mischungsanteil zur Kühlung der Flamme.
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Um die Kühlung der Flamme auch lokal zu erreichen, ist eine gleichmäßige Mischung von Brennstoff und Luft im Brennraum erforderlich. Bei der FLOX-Verbrennung erfolgt dabei die Durchmischung von Brennstoff und Luft erst im Brennraum, wodurch die Reaktion in der Brennkammer vorteilhafterweise beeinflusst werden kann.
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Im Bereich der Gasturbinenverbrennung ist der Luftmassenstrom festgeschrieben, so dass eine Einflussnahme wesentlich durch den Brennstoffeinlass erfolgt.
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US 6 912 854 B2 offenbart eine Verbrennungsvorrichtung mit einer Brennkammer mit mehreren Brennern, wobei zusätzlich sekundäre Brennstoffeinlässe vorgesehen sind, wobei ein sekundärer Brennstoffeinlass in einem spitzen Anstellwinkel zu der Brennkammermittelachse angeordnet ist, um eine Rezirkulation zu erzeugen.
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US 2004 / 0 050 070 A1 offenbart eine Verbrennungsvorrichtung, die mehrere Brenner vorsieht, wobei um jeden Brenner sekundäre Brennstoffeinlässe vorgesehen sind, die in einem Anstellwinkel angeordnet sind.
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Bei
DE 102 17 913 A1 wird der Brennstoff zentral in einen axial symmetrischen Luftstrom eingegeben. Dadurch bleibt der Brennstoff bis weit in den Brennraum von Luft umhüllt, wobei es bei Verminderung der thermischen Leistung durch Rücknahme des Brennstoffes insbesondere auf hohem Leistungsdichteniveau zu einem vorzeitigen Flammenverlöschen kommen kann.
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Das Flammenverlöschen entsteht dadurch, dass bei Reduzierung der Brennstoffzugabe die Zündverzugszeit bei gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit, die bei Gasturbinen durch einen statischen Luftmassenstrom vorliegt, erhöht wird, wodurch die Verbrennung verzögert und somit zu weit stromabwärts erfolgt
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Um diesem Effekt entgegenzuwirken, sieht
DE 10 2008 032 265 A1 ein Verfahren vor, in dem der im Luftstrahl zentrisch angeordnete Brennstoffstrahl exzentrisch mit variabler Strömung verschoben wird. Der Brennstoff-/Luftstrahl wird beim Eintritt in die Brennkammer vom heißen Abgas der in der Brennkammer entstehenden Rezirkulationsströmung umschlossen. Durch die exzentrische Anordnung des Brennstoffstrahls kann die Zündverzugszeit graduell vermindert werden, wodurch das Flammenverlöschen verhindert werden kann.
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Bei dem bekannten Verfahren kann jedoch aufgrund lokal ansteigender Temperaturen die Stickoxidemission zunehmen. Im Schwachlastbetrieb wurde darüber hinaus eine Zunahme der Kohlenmonoxidemission festgestellt.
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Es ist daher die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung, eine Verbrennungsvorrichtung für Gasturbinenanwendungen zu schaffen, deren thermische Leistung in vorteilhafter Weise steuerbar ist, wobei die Schadstoffemission und insbesondere die Stickoxidemission niedrig ist.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung weist eine Brennkammer mit einer Brennkammermittelachse und mehrere Brenner auf. Die Brenner weisen jeweils mindestens einen Lufteinlass und mindestens einen Brennstoffeinlass sowie ein Mischrohr auf und münden in die gemeinsame Brennkammer, wobei vorzugsweise das den Brennstoffeinlass eines Brenners bildende Brennstoffeinlassrohr innerhalb des Lufteinlasses des Brenners angeordnet ist, wodurch der Brennstoff beim Eintritt in das Mischrohr von Luft umhüllbar ist. Die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere sekundäre Brennstoffeinlässe in die Brennkammer münden, die symmetrisch zu der Brennkammermittelachse angeordnet sind, wobei die sekundären Brennstoffeinlässe in radialer Richtung der Brennkammer zwischen einem der Brenner und der Brennkammermittelachse angeordnet sind, und wobei jeweils die Zuleitung zu den sekundären Brennstoffeinlässen in einem spitzen Anstellwinkel α zu der Brennkammermittelachse zur Erzeugung einer Brennstoffströmung mit einer Strömungsrichtung im Winkel α zu der Brennkammermittelachse angeordnet ist.
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Die Verbrennung des durch die Brenner eingebrachten Brennstoffanteils erfolgt überstöchiometrisch, d.h. durch den Lufteinlass wird ein Luftüberschuss in die Brennkammer eingebracht.
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In der Brennkammer entsteht eine Rezirkulationsströmung aus heißen Abgasen. Der durch den sekundären Brennstoffeinlass eingebrachte Brennstoff wird nun dafür eingesetzt, durch eine kontrollierte Verbrennung in der Rezirkulationszone die Temperatur eines durch einen Brenner in die Brennkammer eintretenden Brennstoff-/Luftstrahl so einzustellen, dass ein Flammenverlöschen verhindert wird. Dabei heizt die Rezirkulationsströmung aus heißen Abgasen den durch den bzw. die Brenner in die Brennkammer eintretenden Brennstoff-/Luftstrahl auf. Durch die Verbrennung des durch den sekundären Brennstoffeinlass eintretenden Brennstoffes kann somit die Temperatur der auftreffenden Rezirkulationsstrahlung beeinflusst werden, wodurch der gewünschte Effekt der Herabsetzung der Zündverzugszeit erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung hat den Vorteil, dass der sekundäre Brennstoffeinlass auf konstruktiv einfache Art und Weise und somit kostengünstig geschaffen werden kann.
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Das Einleiten von Brennstoff in die Rezirkulationsströmung mit heißen Abgasen hat den Vorteil, dass aufgrund des durch die vorangegangene Verbrennung reduzierten Sauerstoffgehalts in den Abgasen eine unterstöchiometrische Verbrennung stattfindet. Dadurch besitzt das Abgas eine Kühlwirkung für die Verbrennung des durch den sekundären Brennstoffeinlasses eingebrachten Brennstoffs und verhindert somit ein Ansteigen von lokalen Temperaturen während der Verbrennung dieses Brennstoffanteils, wodurch eine übermäßige Stickoxidproduktion verhindert wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Brenner symmetrisch zu der Brennkammermittelachse angeordnet sind. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Brenner entlang eines zu der Brennkammermittelachse konzentrischen ersten Kreises mit einem Radius R1 angeordnet sind. Eine derartige Anordnung von Brennern hat den Vorteil, dass eine vorteilhafte Strömung mit einer Innenrezirkulationszone geschaffen wird. Die einzelnen Brenner können dabei mit einem gleichen Abstand zueinander angeordnet sein, so dass diese gleichmäßig beabstandet auf dem ersten Kreis angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die sekundären Brennstoffeinlässe entlang eines zu der Brennkammermittelachse konzentrischen zweiten Kreises mit einem Radius R2 angeordnet sind. Da der Radius R2 kleiner als der Radius R1 ist, liegen die sekundären Brennstoffeinlässe näher an der Brennkammermittelachse.
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Es kann vorgesehen sein, dass die sekundären Brennstoffeinlässe einen gleichen Abstand zueinander aufweisen. Eine derartige Anordnung der sekundären Brennstoffeinlässe hat den Vorteil, dass das im Inneren der Brennkammer rezirkulierende Abgas gleichmäßig um die Brennkammermittelachse erwärmt sein kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass jedem Brenner ein sekundärer Brennstoffeinlass zugeordnet ist. Mit anderen Worten: Die Anzahl der Brenner und der sekundären Brennstoffeinlässe ist identisch. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Achsen jedes Brenners und des ihm zugeordneten sekundären Brennstoffeinlasses in einer gemeinsamen Ebene mit der Brennkammermittelachse liegen. Dies hat den Vorteil, dass über einen sekundären Brennstoffeinlass die Temperatur des durch den entsprechenden Brenner eingebrachten Brennstoffluftstrahls beeinflusst werden kann. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte Steuerung der Verbrennung möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass für den Radius R1 des ersten Kreises und den Radius R2 des zweiten Kreises gilt: 5 ≤ R1/R2 ≤ 10, vorzugsweise 7,5 ≤ R1/R2 ≤ 8,5. Dadurch sind die sekundären Brennstoffeinlässe im Vergleich zu den Brennern relativ nahe an der Brennkammermittelachse angeordnet. Der durch die sekundären Brennstoffeinlässe eingebrachte Brennstoff wird somit in einem Bereich der Brennkammer eingebracht, in dem sich die Rezirkulationsströmung des heißen Abgases radial nach außen in Richtung der durch die Brenner eingebrachten Brennstoffluftstrahle bewegt. Der Abstand zwischen den Brennern und den sekundären Brennstoffeinlässen ist dabei so gewählt, dass der durch die sekundären Brennstoffeinlässe eingebrachte Brennstoff somit über eine längere Distanz mit der Rezirkulationsströmung mitströmt, so dass ausreichend Zeit für die unterstöchiometrische Verbrennung verbleibt.
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Die Brennkammer kann insbesondere eine zylindrische Form mit einem kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius R3 aufweisen. Dabei kann vorgesehen sein, dass gilt: 0,05 ≤ R2/R3 ≤ 0,2 und/oder 0,7 ≤ R1/R3 ≤ 0,9.
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Eine derartige geometrische Anordnung der Brenner und sekundären Brennstoffeinlässe hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Das Mischrohr von mindestens einem Brenner, vorzugsweise von jedem Brenner, kann einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius r aufweisen.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass zwei benachbarte Brenner einen Abstand A aufweisen und und das Mischrohr der benachbarten Brenner einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius r, wobei gilt: r ≤ A ≤ 2·r. Unter Abstand zwischen zwei benachbarten Brennern wird der kürzeste Abstand zwischen den Rändern der Mischrohre verstanden. Eine derartige Anordnung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da verhindert wird, dass sich die Stoffströme benachbarter Brenner frühzeitig in der Brennkammer vermischen. Es kann auch vorgesehen sein, dass für den Radius r des Mischrohrs gilt: 0,06·R3 ≤ r ≤ 0,12.R3. Eine derartige Ausbildung des Mischrohrs bzw. der Mischrohre hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass für den Anstellwinkel α gilt: 10° ≤ α ≤ 20, vorzugsweise α = 15°. Durch einen derartigen Anstellwinkel wird gewährleistet, dass der Brennstoff, der durch den sekundären Brennstoffeinlass in die Brennkammer eingebracht wird, in die Rezirkulationsströmung eindringt und von dieser in radialer Richtung nach außen getragen wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Brennstoffeinlassrohr einen Durchmesser d1 aufweist, wobei gilt: 0,01·R3 ≤ d1 ≤ 0,03·R3. Somit besitzt die Öffnung des Brennstoffeinlasses zu dem Mischrohr einen entsprechenden Durchmesser d1. Die Ausgestaltung eines derartigen Brennstoffeinlasses hat sich für die Brenner der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Öffnung des sekundären Brennstoffeinlasses zur Brennkammer einen Durchmesser d2 aufweist, wobei gilt: 0,02·R2 ≤ d2 ≤ 0,06·R2. Es hat sich herausgestellt, dass in einem derartigen sekundären Brennstoffeinlass ein Brennstoffstrahl erzeugt werden kann, der relativ tief in die Rezirkulationsströmung eindringen kann, wodurch eine unterstöchiometrische Verbrennung des Brennstoffs in vorteilhafter Weise erfolgen kann.
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Die Anzahl der Brenner der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung kann beispielsweise zwölf sein. Der Radius R3 der Brennkammer kann beispielsweise 250 mm betragen.
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Der Radius r des Mischrohrradius kann beispielsweise 25 mm betragen.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung in einer Richtung orthogonal zu der Brennkammermittelachse und
- 2 eine Schnittdarstellung gemäß Schnitt ii gemäß der 1.
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In 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung 1 schematisch dargestellt.
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Die Verbrennungsvorrichtung 1 weist eine Brennkammer 3 auf, die eine zylindrische Form besitzt. Die Brennkammer 3 ist von einer Brennkammerwandung 5 umgeben. An einer Stirnseite ist die Brennkammer durch eine Brennkammerkopfplatte 7 begrenzt. Auf der der Brennkammerkopfplatte 7 gegenüberliegenden Seite der Brennkammer weist die Brennkammer einen nicht dargestellten Abgasauslass auf. Die Brennkammer 3 weist eine Brennkammermittelachse 9 auf, die eine Symmetrieachse der Brennkammer 3 bildet.
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In der Brennkammerkopfplatte 7 sind mehrere Brenner 11 befestigt, die in die Brennkammer 3 münden. Die Brenner 11 weisen jeweils einen Lufteinlass 13 und einen Brennstoffeinlass 15 auf, der durch ein Brennstoffeinlassrohr 16 gebildet ist. Der Lufteinlass 13 und der Brennstoffeinlass 15 münden in ein Mischrohr 17, das die Brennkammerkopfplatte 7 durchdringt.
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Die Brenner 11 sind mit einem gleichmäßigen Abstand A entlang eines mit der Brennkammermittelachse 9 konzentrischen ersten Kreises 11a angeordnet.
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Das Mischrohr 17 weist einen runden Querschnitt mit einem Radius r auf. Der Brennstoffeinlass 15 ist dabei vorzugsweise konzentrisch zu dem Mischrohr 17 angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass ein gleichmäßiger Luftstrom um den durch den Brennstoffeinlass 15 eingelassenen Brennstoff erzeugt wird.
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Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Radius r des Mischrohrs 17 derart gewählt, dass er kleiner als der Abstand A zwischen den Brennern 11 ist.
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Die Brennkammer 3 weist einen Radius R3 auf, wobei der Radius R3 den Radius der Innenfläche der Brennkammerwandung 5 beschreibt.
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In der Brennkammerkopfplatte 7 sind ferner mehrere sekundäre Brennstoffeinlässe 19 angeordnet. Dazu sind in der Brennkammerkopfplatte 7 Bohrungen 21 vorgesehen, die die Zuleitungen zu den sekundären Brennstoffeinlässen 19 bilden. Die Bohrungen 21 sind in einem spitzen Anstellwinkel α zu der Brennkammermittelachse angestellt. Somit kann eine Brennstoffströmung mit einer Strömungsrichtung im Winkel α zu der Brennkammermittelachse 9 erzeugt werden.
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Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der sekundären Brennstoffeinlässe 19 gleich der Anzahl der Brenner 11. Die sekundären Brennstoffeinlässe sind entlang eines um die Brennkammermittelachse 9 konzentrischen zweiten Kreises 19a angeordnet. Der zweite Kreis 19a weist einen Radius R2 auf. Jede der sekundären Brennstoffeinlässe 19 ist einem Brenner 11 zugeordnet und befindet sich zwischen einem der Brenner 11 und der Brennkammermittelachse 9.
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In 2 wird die in der Brennkammer 3 entstehende Strömung schematisch skizziert.
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In dem Brenner 11 wird Brennstoff durch den Brennstoffeinlass 15 sowie Luft durch den Lufteinlass 13 in das Mischrohr 17 eingelassen. Der Brennstoffstrom wird durch einen gestrichelten Pfeil, der Luftstrom durch einen durchgezogenen Pfeil dargestellt. Von dem Mischrohr 17 gelangt das Brennstoff-Luftgemisch in die Brennkammer 3 (dicker Pfeil). Dort erfolgt eine überstöchiometrische Verbrennung. Das aus der Verbrennung entstehende Abgas (Strichpunkt-Pfeile) gelangt zu dem von der Brennkammerkopfplatte 7 abgewandten Ende der Brennkammer und aus dem Brennkammerauslass. Im Inneren der Brennkammer entsteht eine Rezirkulationsströmung 23 aus Abgas (ebenfalls Strichpunkt-Pfeile), die im Bereich der Brennkammermittelachse 9 zu der Brennkammerkopfplatte 7 zurückströmt und durch diese radial nach außen in Richtung des einströmenden Brennstoff-Luftgemisches gelenkt wird. In die Rezirkulationsströmung 23 wird Brennstoff, der durch den sekundären Brennstoffeinlass 19 in die Brennkammer 3 gelangt, eingeleitet (gestrichelter Pfeil). Das rezirkulierte Abgas bewirkt eine unterstöchiometrische Verbrennung dieses Brennstoffs. Das Brennstoff-Abgasgemisch (gepunktete Pfeile) gelangt durch die Rezirkulationsströmung zu dem Brennstoff-Luftgemisch, wobei durch die Verbrennung des durch den sekundären Brennstoffeinlass 19 eingelassenen Brennstoffs des Abgases erwärmt werden kann. Dadurch kann die Zündverzugszeit des von dem Brenner eingelassenen Brennstoff-Luftgemischs beeinflusst werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung kann somit bei einer FLOX-Verbrennung Einfluss auf die Temperatur des durch den Brenner eingelassenen Brennstoff-Luftgemischs genommen werden, wodurch abhängig von der thermischen Last die Temperatur des Brennstoff-Luftgemischs eingestellt werden kann. Dadurch kann ein Flammenverlöschen verhindert werden. Bei der Verminderung der thermischen Leistung der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung durch Rücknahme des dem Brenner zugeführten Brennstoffs wird somit gewährleistet, dass die gewünschte chemische Reaktion des Brennstoff-Luftgemischs erfolgt. Die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung 1 kann somit gewährleisten, dass eine Modulation der Leistung ohne Flammenverlöschen und ohne Erhöhung der Emissionsraten und insbesondere der Stickoxidemissionsraten erfolgen kann.
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Der Anstellwinkel α der Bohrung 21 beträgt vorzugsweise 15°. Die Anzahl der Brenner 11 und die Anzahl der sekundären Brennstoffeinlässe 19 betragen vorzugsweise zwölf.
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Der Radius R1 des ersten Kreises IIa, auf dem die Brenner 11 angeordnet sind, ist vorzugsweise das 0,8fache des Radius R3 der Brennkammer 3. Der Radius R2 des zweiten Kreises 19a, auf dem die sekundären Brennstoffeinlässe 19 angeordnet sind, beträgt vorzugsweise das 0,1fache des Radius R3 der Brennkammer 3.
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Die Bohrung 21 weist einen Durchmesser d2 auf, der somit der Durchmesser der Öffnung 19b des Brennstoffeinlasses 19 ist. Der Durchmesser d2 kann beispielsweise zwischen dem 0,02fachen und dem 0,06fachen des Radius R2 des zweiten Kreises 19a gewählt sein.
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Der Brennstoffeinlass 15 weist einen Brennstoffeinlassrohr 15a mit einem Durchmesser d1 auf. Der Durchmesser d1 kann beispielsweise das 0,015fache des Radius R3 der Brennkammer 3 aufweisen.
