DE102017118165A1

DE102017118165A1 - Brennerkopf, Brennersystem und Verwendung des Brennersystems

Info

Publication number: DE102017118165A1
Application number: DE102017118165.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Huber; Andreas MADER
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2019-02-14
Anticipated expiration: 2037-08-10
Also published as: DE102017118165B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennerkopf (20) zur eingangsseitigen Anordnung an einer Brennkammer (10) und Zufuhr von Brennstoff und Oxidator in die Brennkammer (10) zumindest teilweise vorgemischt über gemeinsame Zufuhrdüsen (22) oder getrennt über separate Zufuhrdüsen (22), derart, dass sich im Betrieb eine Rezirkulationsströmung mit durch eine Rezirkulationszone (18) zurückgeführtem Abgas ausbildet, mit einer Brennstoffzufuhr (26) und in zumindest einer Düsenreihe angeordneten Zufuhrdüsen (22) mit brennkammerseitigen Auslässen (24). Ein gegenüber dem Stand der Technik vereinfachtes Design wird dadurch erreicht, dass in mindestens einer Düsenreihe die Zufuhrdüsen (22) von zwei einander gegenüberliegenden, in Strömungsrichtung verlaufenden Leitflächen (30, 32) gebildet sind, von denen zumindest eine Leitfläche (32) wellig mit in Richtung einer Längsachse (L) verlaufenden, im Querschnitt abwechselnd in gegenüberliegende Richtungen gerichteten Erhebungen (36, 38) ausgebildet ist, wobei die wellige Leitfläche (32) über ihre jeweils gleichgerichteten Erhebungen (36, 38) mit der anderen, flachen oder ebenfalls welligen Leitfläche (30) in Berührung steht, sodass separate, mit axialer Richtungskomponente verlaufende Kanäle (23) der Zufuhrdüsen (22) gebildet sind, die in die brennkammerseitigen Auslässe (24) münden (Fig. 2A).

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennerkopf zur eingangsseitigen Anordnung an einer Brennkammer und Zufuhr von Brennstoff und Oxidator in die Brennkammer zumindest teilweise vorgemischt über gemeinsame Zufuhrdüsen oder getrennt über separate Zufuhrdüsen, derart, dass sich im Betrieb eine Rezirkulationsströmung mit durch eine Rezirkulationszone zurückgeführtem Abgas ausbildet, mit einer Brennstoffzufuhr und in zumindest einer Düsenreihe angeordneten Zufuhrdüsen mit brennkammerseitigen Auslässen. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennersystem mit einem erfindungsgemäßen Brennerkopf sowie die Verwendung des Brennersystems in einer Gasturbinenanordnung.
Ein derartiger Brennerkopf kommt beispielsweise in Verbindung mit Brennkammern von Gasturbinenanlagen zum Einsatz und ist in der EP 1 497 589 B1 gezeigt. Der dort angegebene Brennerkopf ist so ausgebildet, dass sich, auch in Zusammenwirken mit der Brennkammer, in deren Innenraum bzw. Brennraum eine großräumige, im Wesentlichen innere Rezirkulationsströmung ausbildet. Durch die Rezirkulation werden bereits verbrannte Abgase innerhalb der Brennkammer zurückgeführt und der zugeführten Frischluft in größerer Menge beigemischt. Die im Wesentlichen innere Rezirkulation wird unter anderem dadurch erreicht, dass an dem eingangsseitigen Brennerkopf eine Reihe von Luftdüsen auf einem Kreis und radial in der Nähe der Brennkammerwandung angeordnet sind. Die Luftdüsen sind so ausgebildet, dass sie einen geraden (koaxialen) Luftstrahl erzeugen, der einen Injektoreffekt bewirkt. Die Verbrennung erfolgt in der Regel bei Sauerstoffüberschuss, auch, um die Brennkammer und eine ggf. stromab angeschlossene Turbine nicht zu überlasten.
Ein weiterer Brennerkopf in einem Brennersystem mit Rezirkulationsströmung ist in der EP 1 995 515 B1 offenbart. Dabei ist der Brennerkopf einer vorgelagerten Brennkammer zur Erzeugung heißer Abgase zugeordnet, die in einen Ofenraum zugegeben werden und dort unter Einwirkung der Rezirkulationsströmung und weiterer Luft- und Brennstoffzugabe verbrannt werden.
Durch die Rezirkulationsströmung lässt sich die Verbrennung mit sehr geringen Emissionen (insbesondere Stickoxidemissionen) durchführen, die die Emissionsgrenzwerte bezüglich Gasturbinenverbrennung erfüllen. Die Ausbildung der Luftdüsen zum Erfüllen jeweiliger Anforderungen ist jedoch in der Regel mit einem verhältnismäßig hohen Fertigungsaufwand verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennerkopf bereitzustellen, der andere Gestaltungsmöglichkeiten ergibt, sowie ein Brennersystem mit einem derartigen Brennerkopf und dessen Verwendung in einer Gasturbinenanlage.
Die Aufgabe wird für den Brennerkopf mit den Merkmalen der Anspruchs 1, für das Brennersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und für die Verwendung in einer Gasturbinenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass in mindestens einer Düsenreihe die Zufuhrdüsen von zwei einander gegenüberliegenden, in Strömungsrichtung verlaufenden Leitflächen gebildet sind, von denen zumindest eine Leitfläche wellig mit in Richtung einer Längsachse verlaufenden, im Querschnitt abwechselnd in gegenüberliegende Richtungen gerichteten Erhebungen ausgebildet ist, wobei die wellige Leitfläche über ihre jeweils gleichgerichteten Erhebungen mit der anderen, flachen oder ebenfalls welligen Leitfläche in Berührung steht, sodass separate, mit axialer Richtungskomponente verlaufende Kanäle der Zufuhrdüsen gebildet sind, die in die brennkammerseitigen Auslässe münden. Damit liegen die Zufuhrdüsen definitionsgemäß in dem axialen Bereich bzgl. der Längsachse, in dem die separierten Kanäle durch die Berührung der beiden Leitflächen gebildet sind. Die Kanäle können dabei im Grenzfall eine sehr kurze Länge aufweisen, sollten jedoch vorzugsweise derart lang sein, dass sich über die längsgerichteten (d. h. axiale Richtungskomponenten aufweisenden) Berührungslinien der Erhebungen mit der anderen Leitfläche eine stabile und definierte Positionierung der beiden Leitflächen zueinander ergibt. Die Leitflächen sind jeweils von Oberflächen von Trägerkörpern, beispielsweise Vollmaterial oder Wandung einer gewellten Metallplatte, gebildet. Die Positionierung der Leitflächen zueinander kann z. B. durch trennbares Stecken der Trägerkörper ineinander entstehen. Auch eine unlösbare Verbindung durch zumindest bereichsweise Befestigung, bspw. Schweißen, ist möglich. Der Verlauf axial „in Richtung einer Längsachse“ bedeutet, dass zumindest eine axiale Richtungskomponente (parallel der Längsachse L) in Richtung Brennkammer vorliegt, wobei auch eine andere, z. B. radiale Richtungskomponente, vorhanden sein kann. Soll eine drallfreie Ausströmung des Gases (Brennstoff und/oder Oxidator) erreicht werden, so ist vorzugsweise keine tangentiale Komponente vorhanden.
Die Welligkeit der zumindest einen Leitfläche ist in Art einer periodischen Querprofilierung über mindestens zwei Perioden zur Bildung mindestens zweier Zufuhrdüsen ausgebildet, wobei sich bei einem Querschnitt orthogonal zur Längsachse zumindest im axialen Bereich der Zufuhrdüsen ein welliges Profil mit Wendepunkten und Extrema ergibt. Die Extrema sind bezüglich einer virtuellen Referenzfläche abwechselnd in gegenüberliegende Richtungen weisenden Erhebungen zugeordnet, die bezüglich eines entfernten Bezugspunktes oder einer Bezugsfläche auch als Wellenberge und -täler bezeichnet werden können. Die Wellenform des Profils kann kontinuierlich, z. B. gerundet, oder diskontinuierlich, z. B. mit spitzen, rechteck- oder sägezahnförmigen Erhebungen gestaltet sein. Das Profil der Wellenform definiert dabei die Querschnittsflächen der einzelnen gebildeten Kanäle bzw. der Zufuhrdüsen und damit die Form der Auslässe. Die Form bzw. Querschnittsfläche der Auslässe ist unter Berücksichtigung der Düsenanzahl so dimensioniert, dass sich im Betrieb je nach Lage und Funktion der Auslässe eine gewünschte Austrittsgeschwindigkeit bzw. ein Austrittsgeschwindigkeitsbereich über den Betriebsbereich des Brennersystems ergibt. Die Düsenreihe ist dabei vorzugsweise derart angeordnet, dass die Auslässe in einer Ebene orthogonal zur Längsachse liegen, wobei sie z.B. gerade, gewellt oder gerundet verläuft. Wenn die Auslässe in die Brennkammer münden, sollte sich z. B. eine hohe Austrittsgeschwindigkeit (z. B. zwischen 30 und 150 m/s, je nach Betriebspunkt) ergeben, um eine Rezirkulationsströmung zu induzieren. Vorzugsweise liegen die Auslässe dabei in einer eingangsseitigen Stirnwand der Brennkammer. „Brennkammerseitig“ bedeutet, dass die Austrittsöffnungen in Richtung Brennkammer weisen, wobei die brennkammerseitigen Auslässe auch stromauf der Brennkammer, z. B. in einem Oxidatorplenum, münden und z. B. als Brennstoffzufuhr dienen können. Die mit axialer Richtungskomponente verlaufenden, d. h. in Längsrichtung durchgängigen Kanäle der Zufuhrdüsen weisen vorzugsweise keine tangentiale Richtungskomponente auf, sodass Oxidator und/oder Brennstoff durch die Auslässe drallfrei ausströmt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Zufuhrdüsen lässt sich das aus dem Stand der Technik bekannte Design der Zufuhrdüsen vereinfachen, sodass Fertigungskosten reduziert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich die Kühlung des verwendeten Materials der Zufuhrdüsen verbessern lässt, wobei thermische Belastungsspitzen am Brennerkopf entsprechend reduziert werden können. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Design eine kompaktere Bauweise in Bezug auf die mögliche Anzahl von Zufuhrdüsen pro Fläche. Damit besteht bei Verwendung als Zufuhrdüsen in einer Brennkammer das Potenzial, die axiale Ausdehnung der Verbrennungszone zu verkürzen und die innere Rezirkulationszone zu verstärken.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist zumindest eine der Leitflächen stromauf der Zufuhrdüsen in ein zusammenhängendes Gasplenum zur Versorgung der Zufuhrdüsen, bspw. in ein Oxidatorplenum, fortgeführt. Dabei verläuft die zumindest eine Leitfläche stromauf in den axialen Bereich des Gasplenums hinein und dient so als Leitfläche für das Gas auf seinem Weg in die separierten Kanäle der Zufuhrdüsen. Auf diese Weise kann eine günstige, insbesondere druckverlustarm gestaltete, definierte Strömungsführung bereits stromauf der Zufuhrdüsen erreicht werden.
Dabei sind in einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante beide Leitflächen in das Oxidatorplenum fortgeführt, wobei die Leitflächen voneinander beabstandet angeordnet sind, insbesondere mit einem sich zumindest abschnittsweise gegen die Hauptströmungsrichtung vergrößernden Abstand. Die Vergrößerung des Abstandes kann kontinuierlich oder auch sprunghaft und/oder auf mehreren axialen Abschnitten erfolgen. Eine derartige Ausgestaltung dient ebenfalls einer definierten Strömungsführung, bei der sich durch die sich in Strömungsrichtung verringernde Beabstandung eine Verringerung des Strömungsquerschnitts und damit eine Beschleunigung der Gasströmung ergibt. Eine Beschleunigung kann in einem zweckdienlichen Abschnitt bewirkt werden, beispielsweise im Bereich (stromauf, an oder unmittelbar stromab) einer Brennstoff-Eindüsung bei einer Konfiguration, in der Brennstoff und Oxidator vor Zufuhr in die Brennkammer zumindest teilvorgemischt werden. Möglich wäre auch eine Beschleunigung innerhalb der Zufuhrdüsen, was eine entsprechende Gestaltung der Welligkeit voraussetzen würde.
Wenn die Welligkeit der zumindest einen welligen Leitfläche stromauf der Zufuhrdüsen im Flächenverlauf entgegen der Hauptströmungsrichtung, insbesondere kontinuierlich, abnimmt, erlaubt dies eine günstige Strömungsführung mit vergleichsweise geringem Druckverlust und einer anliegenden Strömung unter Vermeidung von Ablösungen. „Abnehmende Welligkeit“ bedeutet dabei, dass die Höhe h zwischen den Erhebungen der Leitfläche abnimmt, wobei sich im Grenzfall ein glatter Flächenverlauf ohne Welligkeit (h = 0) ergibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante sind beide Leitflächen im Bereich der Zufuhrdüsen wellig ausgebildet, insbesondere mit gleichen Welligkeitsweiten, und derart versetzt zueinander angeordnet, dass die Leitflächen zur Bildung von separaten Kanälen insbesondere mit ihren gegenläufigen Erhebungen miteinander in Berührung stehen. Als „Welligkeitsweite“ wird vorliegend der Abstand von einer gleichgerichteten Erhebung zur nächsten (bezüglich der jeweils höchsten Punkte) bezeichnet. Eine symmetrische Form der Kanäle bzw. Auslässe ergibt sich, wenn die Welligkeiten der Leitflächen gleichartig bezüglich Wellenform und Höhe ausgebildet sind. Beispielsweise sind so annähernd ovale Düsenformen möglich. Die größte Querschnittsfläche bei gegebener Welligkeit ergibt sich bei einer gegenphasigen Anordnung der Welligkeiten, d.h. wenn die höchsten Punkte der einen Erhebungen mit den höchsten Punkten der anderen, entgegengesetzt gerichteten Erhebungen der Leitflächen (z. B. Minima der Wellentäler in Berührung mit Maxima der Wellenberge) in Berührung stehen.
Vorteilhafterweise können zusätzlich zu den beiden Leitflächen zumindest zwei weitere Leitflächen, zur Bildung einer weiteren Düsenreihe vorgesehen sein, wobei zumindest eine der Leitflächen im Bereich der Zufuhrdüsen wellig ausgebildet ist. Auf diese Weise lässt sich ein Brennerkopf mit mehreren durch Leitflächen gebildeten Düsenreihen gestalten, sodass die Variabilität bei der Gestaltung einer Brennkammer hinsichtlich der Verbrennungsführung erhöht wird. Beispielsweise können die einzelnen Düsenreihen unterschiedliche Brennerstufen bilden, z. B. eine Hauptstufe, die, ggf. bedarfsweise, durch eine (unter anderen Bedingungen, insbesondere einer anderen Luftzahl betriebenen) Pilotstufe unterstützt wird. Auch wäre denkbar, dass eine Düsenreihe als Brennstoffzufuhr, die andere als Oxidatorzufuhr ausgebildet ist.
Weitere vorteilhafte Möglichkeiten bei der Verbrennungsführung ergeben sich, wenn zumindest eine der weiteren Leitflächen brennkammerseitig stromauf der beiden anderen Leitflächen endet, sodass die Auslässe der weiteren Düsenreihe gegenüber der anderen axial zurückversetzt angeordnet ist. Wenn die zurückversetzte Düsenreihe z.B. als Pilotstufe fungiert, können von stromauf heiße Abgase mit darin befindlichen Verbrennungsradikalen an die weiter stromab befindliche Hauptstufe heranströmen und diese stabilisieren. Denkbar ist weiterhin, dass stromauf der Zufuhrdüsen in die Brennkammer, in dem Oxidatorplenum, eine derartige Anordnung zur Zugabe von Brennstoff in den Oxidator verwendet wird.
Eine zusätzliche vorteilhafte Mischung ist dadurch erreichbar, dass eine der Leitflächen der einen Düsenreihe und eine der Leitflächen der weiteren Düsenreihe durch je eine Seite eines gemeinsamen Leitbleches gebildet sind, die einander, insbesondere parallel, gegenüberliegen. Die vorteilhafte Mischung ergibt sich dadurch, dass sich an den Enden der Leitflächen, die als Abrisskanten dienen, bei Zusammenströmen der Gasströme gegenläufige Verwirbelungen ausbilden. Die Mischung durch Verwirbelungen kann verstärkt werden, wenn die Welligkeit der Leitflächen in Strömungsrichtung zunimmt. Die Verwirbelungen sind jeweils in den von der anderen Leitfläche strömenden Gasstrom hinein gerichtet, sodass die Mischung zwischen den beiden Gasströmen begünstigt wird. So kann es z. B. bei einer derartigen Ausbildung zwischen einer zurückversetzten Pilotstufe und einer Hauptstufe zu einer vorteilhaften Durchmischung der Abgase der Pilotstufe mit den Frischgasen der Hauptstufe kommen, wodurch eine gute Stabilisierungswirkung erreicht werden kann. Es können auch mehrere Düsenreihen mit gemeinsamen Leitblechen vorhanden sein. Wenn das/die Leitblech/e zwischen den Düsen eine konstante Materialdicke aufweist/aufweisen, können zudem thermische Lastspitzen, wie sie bei Vollmaterial aufgrund unterschiedlicher Dicken entstehen können, vermieden werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante weist die Brennstoffzufuhr für eine zumindest teilweise Vormischung stromauf der Brennkammer einzelne, von einem Brennstoffverteiler gespeiste Brennstoff-Zufuhrdüsen auf, die in das Oxidatorplenum stromauf der Oxidator-Zufuhrdüsen und/oder innerhalb zumindest einiger der Oxidator-Zufuhrdüsen münden. Um eine möglichst gleichmäßige Einmischung zu erreichen, sind die Brennstoff-Zufuhrdüsen vorzugsweise symmetrisch, beispielsweise drehsymmetrisch um die Längsachse, angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform hängt die Anzahl der Brennstoff-Zufuhrdüsen von der Anzahl der Oxidator-Zufuhrdüsen ab, entsprechend deren Anzahl oder einem ganzzahligen Bruchteil, und ist diesen gleichmäßig verteilt zugeordnet. Bei einer Anzahl entsprechend der Zufuhrdüsenanzahl ist jeder der Oxidator-Zufuhrdüsen eine Brennstoff-Zufuhrdüse zugeordnet. Die Brennstoffzufuhr kann dabei vorteilhaft nahe oder in dem Kanal der Oxidator-Zufuhrdüsen zur Zufuhr in die Brennkammer stattfinden. An der Position der Brennstoff-Zufuhrdüsen bzw. deren Auslässen liegt vorzugsweise eine bereits auf die Eintrittsgeschwindigkeit in die Brennkammer beschleunigte Strömung vor, oder die Beschleunigung wird in dem axialen Bereich der Auslässe oder unmittelbar stromab davon bewirkt (durch Verringerung des Strömungsquerschnitts). Die Beschleunigung vermindert die Gefahr eines Flammenrückschlags und/oder einer Flammenstabilisierung an den Brennstoff-Zufuhrdüsen, die zu Zerstörung des Brennerkopfes führen könnte.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsvariante erfolgt die Brennstoffzufuhr für eine zumindest teilweise Vormischung stromauf der Oxidator-Zufuhrdüsen innerhalb des Oxidatorplenums, wobei der Brennstoff bis zum Auslass in den Oxidator von einem Brennstoffleitblech umgeben ist, das eine, in Hauptströmungsrichtung des Brennstoffes verlaufende, insbesondere zunehmende Welligkeit, aufweist. Das Brennstoffleitblech ist vorzugsweise symmetrisch innerhalb des Oxidatorplenums, beispielsweise radial umlaufend um die Längsachse angeordnet. Dabei kann die Brennstoffzufuhr gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung zwischen zwei Leitflächen erfolgen, jedoch auch zwischen zwei Leitflächen, die sich nicht berühren, z. B. in Art eines Ringspalts, oder auch über Kanäle, die axial innerhalb eines Brennstoffleitbleches verlaufend integriert sind. Durch die Welligkeit am Ort des Brennstoffauslasses wird, wie oben beschrieben, eine gute Mischung zwischen Brennstoff und Oxidator erreicht, insbesondere wenn die Welligkeit in Strömungsrichtung zunimmt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante sind die gegenüberliegenden Leitflächen zur Bildung einer Düsenreihe in Form eines Düsenrings radial um eine Längsachse umlaufend angeordnet, wobei die innere Leitfläche einen kleineren minimalen radialen Abstand von der Längsachse aufweist als die äußere. Auch mehrere Reihen, insbesondere in Anordnung von ineinander liegenden Düsenringen, sind möglich. Auch wäre denkbar, dass eine Düsenreihe lediglich über einen Kreisabschnitt (ein Segment) verläuft. Die Anordnung der Düsenreihe als Düsenring begünstigt die Ausbildung einer großteils (d.h. anteilig mehr als 50 %) inneren Rezirkulationsströmung, die wiederum einer kurzen und kompakten Verbrennungszone zuträglich ist. Dadurch können Aufenthaltszeiten in der Flamme verringert werden, was wiederum den Schadstoffausstoß (insbesondere an Stickoxiden) verringern kann.
Vorzugsweise ist die innere (bei Vorhandensein mehrerer innerer Leitflächen die innerste) Leitfläche durch die Oberfläche einer Wandung gebildet, die bei Anordnung an der Brennkammer zumindest einen Teil einer eingangsseitigen Stirnwand bildet und eine gegenüber den Auslässen des Düsenrings entgegen der Strömungsrichtung zurückversetzte, stirnseitige Ausnehmung umfasst. Durch eine derartige Ausgestaltung lässt sich zum einen Material einsparen, da die Leitfläche nicht auf Vollmaterial aufgebracht ist. Zum anderen wird die Wandung der Ausnehmung durch das auf der gegenüberliegenden Seite vorbeiströmende Gas vorteilhaft gekühlt. Weiterhin liegt die Wandung durch die zurückversetzte Ausnehmung weiter von der Verbrennungszone entfernt, wodurch das Material geringerer thermischer Belastung ausgesetzt ist. Zudem kann durch die innenliegende Rezirkulationsströmung ein vorteilhafter Mischungseffekt bewirkt werden: Das rezirkulierte Abgas strömt durch eine zentrale Kernströmung der Rezirkulationszone zumindest teilweise in die Ausnehmung hinein, kehrt sich, radial nach außen strömend, um und strömt entlang der welligen Stirnwand, auf deren gegenüberliegender Seite die Leitfläche gebildet ist, gleichgerichtet an das einströmende, unverbrannte Frischgas heran. Bei dem Zusammenströmen von Frischgas und Abgas kann der oben beschriebene, positive Mischungseffekt erreicht werden.
Vorteilhaft einsetzbar ist der erfindungsgemäße Brennerkopf in einem Brennersystem mit einer sich in Richtung einer Längsachse erstreckenden Brennkammer, die einen von einer Umfangswandung umgrenzten Brennraum umfasst, innerhalb dessen im Betrieb eine Rezirkulationsströmung mit durch eine Rezirkulationszone zurückgeführtem Abgas ausgebildet ist, und dem eingangsseitig an der Brennkammer angeordneten Brennerkopf nach einer der vorhergehenden Ausgestaltungsvarianten.
Wenn der Düsenring mit den Auslässen in die Brennkammer mündet, dessen Brennraum insbesondere zylindrisch ausgebildet ist, wobei im Betrieb die Rezirkulationströmung mit einer großteils inneren Rezirkulationszone (mehr als 50 % des rezirkulierenden Abgases) ausgebildet ist, kann in Zusammenwirken des Brennerkopfes mit der Brennkammerausgestaltung die Rezirkulationsströmung und damit der Verbrennungsprozess positiv beeinflusst werden, insbesondere hinsichtlich eines verringerten Schadstoffausstoßes.
Dabei beträgt in einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der radiale Abstand der Mittelpunkte der Auslässe des äußeren Düsenrings zu der Längsachse zwischen 0,75 des Brennkammer-Innenradius und einem Radius, bei dem der Radius der Außenseiten der Auslässe dem des Brennkammer-Innenradius entspricht, d.h. die Auslässe gerade an die Umfangswandung angrenzen (wobei die Bereichsgrenzwerte, 0,75 und max. Radius, mit einbezogen sind). Über den Düsenring wird dabei vorzugsweise Oxidator, vorzugsweise zumindest teilvorgemischt mit Brennstoff zugegeben. Eine derart nahe Anordnung der Düsenreihe an der Umfangswandung der Brennkammer, d.h. in dem äußeren Bereich, unterstützt die Ausbildung einer zentralen Rezirkulationszone mit einer gemeinsamen inneren Kernströmung im Inneren des Düsenrings, die von einem Flammenbereich mit darin ablaufenden Verbrennungsreaktionen umgeben ist. Durch eine derartige innere Rezirkulationszone ist eine axial kompakte Verbrennung mit geringer Schadstoffproduktion erreichbar.
Bei dieser Variante sind vorzugsweise die Zufuhrdüsen zumindest eines Düsenrings, insbesondere des in dem äußeren Bereich der Brennkammer angeordneten, in ihrem Längsverlauf parallel zur Längsachse ausgerichtet. Die Welligkeit der mindestens einen welligen Leitfläche ist dabei bezüglich einer virtuellen (Kreis-) Zylinderfläche um die Längsachse ausgebildet und die Leitflächen stehen in einer Art „Rohr in Rohr“-Anordnung zueinander. Dadurch wird eine im Wesentlichen koaxial zur Längsachse gerichtete, drallfreie Zufuhr der Gase in die Brennkammer erreicht, die die vorgenannte innere Rezirkulation unterstützt. In einer bevorzugten Variante wird der Brennstoff durch Brennstoffdüsen im Wesentlichen koaxial auf dem gleichen radialen Abstand zu der Längsachse zugegeben, wobei vorzugsweise jeder Zufuhrdüse eine Brennstoff-Zufuhrdüse zugeordnet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante beträgt der radiale Abstand der Mittelpunkte der Auslässe zumindest eines Düsenrings zu der Längsachse zwischen 0,35 und 0,75 des Brennkammer-Innenradius (wobei die Bereichsgrenzwerte, 0,35 und 0,75, mit einbezogen sind). Durch die Zufuhrdüsen des Düsenrings wird insbesondere Oxidator, gegebenenfalls zumindest teilvorgemischt mit Brennstoff, in die Brennkammer zugegeben. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich der Vorteil, dass im Betrieb die Verbrennungszone von der Umfangswandung der Brennkammer weiter radial beabstandet ist. Auf diese Weise wird die thermische Belastung der Umfangswandung deutlich verringert.
Vorzugsweise ist dabei die innere Leitfläche (die Innere zweier Leitflächen) entgegen der Strömungsrichtung konisch verjüngt, wobei ein Winkel α der Verjüngung gegenüber der axialen Richtung (d. h. der Längsachse, d.h. der Winkel der Resultierenden zwischen radialer und axialer Richtungskomponente des Flächenverlaufs bezüglich der axialen Richtungskomponente), zwischen 10° und 80°, vorzugsweise zwischen 15° und 45°, z.B. 25° oder 35° beträgt. Der Winkel kann sich stromauf im Verlaufe der Verjüngung verändern, insbesondere bei einer, hier vorzugsweise vorliegenden, abnehmenden Welligkeit entgegen der Strömungsrichtung. Der Winkel α bemisst sich bei abnehmender Welligkeit bezüglich der Wellentäler. Am stromaufseitigen Ende läuft die Leitfläche vorzugsweise zusammen, z. B. auf ein zentrales Positionierelement. Entscheidend ist, dass der entsprechende Winkel im Austrittsbereich, vorzugsweise im axialen Bereich der Zufuhrdüsen, vorliegt. Auf diese Weise tritt die Strömung im Wesentlichen im Winkel α nach außen gerichtet in die Brennkammer ein. Dadurch wird trotz weiter radial beabstandeter Umfangswandung eine ausgeprägte innere Rezirkulationszone erreicht und eine axial kompakte Flammenform ausgebildet.
Unterstützt wird diese Strömungsführung dadurch, dass die äußere Leitfläche (die Äußere zweier Leitflächen) zumindest im Bereich der Zufuhrdüsen einen sich entgegen der Strömungsrichtung verjüngenden, konischen Verlauf aufweist, wobei ein Winkel β der Verjüngung gegenüber der axialen Richtung gleich oder kleiner ist als der Winkel α der inneren Leitfläche. Bei einem kleineren Winkel β wird der Abstand zwischen den Leitflächen bzw. der Querschnitt der Kanäle verringert, sodass Strömung beschleunigt wird. Die Welligkeit ist in ihrer Höhe entsprechend angepasst, um im Bereich der Zufuhrdüsen weiterhin die separierten Kanäle zu bilden. Vorzugsweise weist die Strömung an den Auslässen in die Brennkammer die größte Geschwindigkeit innerhalb des Brennerkopfes auf. Stromauf der Zufuhrdüsen kann die Leitfläche über den axialen Bereich, über den sie stromauf fortgeführt ist, auch in einem anderen und/oder sich verändernden Winkel gegenüber der axialen Richtung verlaufen als im Bereich der Zufuhrdüsen, z.B. auch axial ohne radiale Komponente (β = 0°).
In einer bevorzugten Ausführungsvariante sind dabei die Brennstoff-Zufuhrdüsen oder das Brennstoffleitblech stromauf des Düsenrings radial um die Längsachse angeordnet und weisen einen geringeren radialen Abstand von der Längsachse auf als die in die Brennkammer mündenden Zufuhrdüsen. Der radiale Abstand der Brennstoff-Zufuhrdüsen ist dabei vorzugsweise derart, dass der Brennastoff außerhalb der Wandgrenzschicht, z. B. mittig in die Oxidatorströmung eingedüst wird, sodass ein Abstand des eingedüsten Brennstoffes von Wandungen innerhalb des Brennerkopfes gewährleistet und der Brennstoff vollständig von Oxidator umgeben ist. Auf diese Weise wird die Gefahr eines Flammenrückschlags reduziert. Der Brennstoff kann bei Austritt in die Brennkammer z. B. im Wesentlichen in der Mitte der Oxidatorströmung liegen. So kann der Abstand der Brennstoff-Zufuhrdüsen z. B. zwischen 0,25 und 0,75 des radialen Abstandes des Düsenrings betragen. Auf diese Weise wird zudem eine Zufuhr von Brennstoff nahe eines zentralen Brennstoffverteilers ermöglicht, wodurch die Brennstoffversorgung von dem Brennstoffverteiler an die Brennstoff-Zufuhrdüsen auf vorteilhaft kurzem Wege erfolgen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Varianten mit dem weiter radial beabstandeten Düsenring (wie beschrieben mehr als 0,75 des Brennkammer-Innenradius) und dem näher gelegenen Düsenring (radialer Abstand zwischen 0,5 und 0,75) miteinander kombiniert. Dabei ist beispielsweise der äußere Düsenring als Hauptstufe, der innere Düsenring als Pilotstufe betrieben. Vorzugsweise ist zwischen den Düsenringen zumindest ein Teil der Stirnwand der Brennkammer angeordnet, z. B. in einer orthogonalen Ebene zu der Längsrichtung. Die Stirnwand kann beispielsweise durch eine Wandung gebildet sein, die an die Düsenreihen angrenzend jeweils umgelenkt und axial stromauf verlaufend weitergeführt ist, um dort jeweils eine der Leitflächen zu bilden. Denkbar ist auch, dass dieser Teil des Brennerkopfes aus Vollmaterial ausgebildet ist, dessen in Richtung Brennkammer weisende Seite die Stirnwand bildet, während die Seitenbereiche Leitflächen bilden. In einer weiteren Variante kann der innere Düsenring auch axial gegenüber dem äußeren Düsenring zurückversetzt sein.
Das erfindungsgemäße Brennersystem mit dem erfindungsgemäßen Brennerkopf ist in einem weiten Bereich einsetzbar, beispielsweise als Industriebrenner zur Erzeugung von Prozesswärme und/oder Prozessdampf, als Brenner zur Erzeugung von Heizungswärme oder Brenner für Stirlingmotoren. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung des erfindungsgemäßen Brennersystems in einer Gasturbinenanordnung, insbesondere einer Mikrogasturbinenanordnung, mit einer ausgangsseitig der Brennkammer angeschlossenen Turbine herausgestellt. Derartige Mikrogasturbinenanlagen können beispielsweise als dezentrale Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung eingesetzt werden, z.B. als kleine Anlagen für die private Versorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern oder auch in gewerblichem und industriellem Bereich, auch zur Erzeugung von Prozessdampf.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1A, B eine schematische Darstellung eines Brennersystems nach dem Stand der Technik in einem Schnitt entlang der Mittellängsebene (1A) und mit Ansicht auf den Brennerkopf (1B),
2 A, B einen erfindungsgemäßen Brennerkopf mit einer welligen Leitfläche in perspektivischer Ansicht von vorne (2A) sowie ein Detail der Welligkeit (2B),
3 A, B eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Brennerkopfes mit zwei welligen Leitflächen in perspektivischer Ansicht von vorne (3A) sowie ein Detail der Welligkeiten (3B),
4 den Brennerkopf gemäß 2 A, B in perspektivischer Ansicht von hinten entgegen einer Strömungsrichtung mit Blick auf Brennstoff-Zufuhrdüsen,
5 den Brennerkopf gemäß 3 A, B in perspektivischer Ansicht von hinten mit Blick auf Brennstoff-Zufuhrdüsen,
6 den Brennerkopf gemäß 3 A, B in einem Schnitt entlang der Mittellängsebene,
7 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Brennerkopfes mit einer weiteren Düsenreihe in perspektivischer Ansicht von vorne,
8 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Brennerkopfes mit einer Düsenreihe, die radial zwischen 0,35 und 0,75 des Brennkammerinnenradius von einer Längsachse beabstandet ist, in Ansicht von vorne,
9 den Brennerkopf gemäß 8 in einem Schnitt entlang der Mittellängsebene,
10 den Brennerkopf gemäß 8 mit einer gegenüber 9 alternativen Brennstoff-Zufuhr in einem Schnitt entlang der Mittellängsebene und
11 den Brennerkopf gemäß 10 in Ansicht von hinten.

1 A zeigt ein Brennersystem 1, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, in schematischer Darstellung in einem Schnitt entlang der Mittellängsebene. Das Brennersystem 1 weist einen Brennerkopf 20 und eine Brennkammer 10 auf, die mit einer zylindrischen Umfangswandung 12 einen Brennraum 14 umfasst. Das Brennersystem 1 erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer axial ausgerichteten Längsachse L, die ebenfalls die Symmetrieachse darstellt. Der Brennerkopf 20 weist für die Zufuhr von zu verbrennenden Frischgasen, d. h. Oxidator (in der Regel Luft, wie nachfolgend synonym verwendet) und Brennstoff, Zufuhrdüsen 22 mit Kanälen 23 und Auslässen 24 auf, die gleichmäßig umlaufend auf einem gedachten Ring zur Bildung einer Düsenreihe in Form eines Düsenrings 25 an einer eingangsseitigen Stirnseite 15 in einer Stirnwand 17.1 angeordnet sind (vgl. 1B). Der Düsenring 25, auf dem die Auslässe 24 angeordnet sind, befindet sich im äußeren radialen Bereich der Stirnseite 15, mit einem radialen Abstand (bzgl. der Mittelpunkte der Auslässe 24) von mehr als 0,75 des Brennkammer-Innenradius, sodass die Auslässe 24 nahe der Umfangswandung 12 gelegen sind. Zur Brennstoffzugabe ist eine Brennstoffzufuhr 26 vorhanden, die Brennstoff-Zufuhrdüsen 27 mit Brennstoff-Auslässen 28 stromauf der Auslässe 24 aufweist. Durch die Anordnung der Brennstoff-Auslässe 28 stromauf der Auslässe 24 ist eine Mischstrecke gebildet, die eine zumindest teilweise Vormischung von Brennstoff und Oxidator vor Eindüsung in die Brennkammer 10 erlaubt.
Der Oxidator wird über ein Oxidatorplenum 21 an die einzelnen Zufuhrdüsen 22 herangeführt, während die Brennstoffzufuhr 26 von einem (hier nicht gezeigten) Brennstoffverteiler gespeist wird.
Die Strömungsführung im Betrieb ist durch Pfeile angedeutet. Das Oxidator-Brennstoff Gemisch wird axial drallfrei mit hoher Geschwindigkeit (z. B. zwischen 30 und 150 m/s) parallel zur Längsachse L in den Brennraum 14 zugegeben. Durch die Anordnung der Zufuhrdüsen 22 nahe der Umfangswandung 12 bildet sich eine wandnahe, umlaufende Flammenzone 16 aus. Diese umgibt eine großräumige Rezirkulationsströmung mit einer großteils inneren Rezirkulationszone 18, d.h. mehr als 40 % des rezirkulierenden Abgases, vorzugsweise mehr als 50%, werden durch die innere Rezirkulationszone 18 geführt. Die Rezirkulationsströmung wird durch die hohe Zufuhrgeschwindigkeit der Frischgase induziert und weist eine zentrale gemeinsame, in Richtung Stirnseite 15 weisende, Kernströmung auf. Stromab der Rezirkulationszone 18 strömt das heiße Abgas durch einen Austritt 11 der Brennkammer 10, der der Stirnseite 15 gegenüberliegend angeordnet ist. Anschließend wird das Abgas, z. B. über eine Abgasleitung, einer (nicht dargestellten) Turbine zugeführt.
2A zeigt einen erfindungsgemäßen Brennerkopf 20 in perspektivischer Ansicht von vorne mit einem Teil der Umfangswandung 12 der Brennkammer 10. Bei dem erfindungsgemäßen Brennerkopf 20 ist die Düsenreihe in Form des Düsenrings 25 dadurch gebildet, dass zwei umlaufende Leitflächen, eine erste, bezüglich der Längsachse L äußere, Leitfläche 30 und eine zweite, innere Leitfläche 32, umlaufend gegenüberliegend angeordnet sind. Dabei ist die innere Leitfläche 32 wellig ausgebildet und steht über die Welligkeit mit der äußeren Leitfläche 30 zur Bildung von längs gerichteten Kanälen 23 in Berührung. Die beiden Leitflächen 30, 32 verlaufen in Strömungsrichtung, im Bereich der Zufuhrdüsen 22 in axialer Richtung, vorliegend ohne radiale Richtungskomponente. Die Zufuhrdüsen 22 münden mit ihren Auslässen 24 in die Brennkammer 10.
Die Welligkeit der inneren, näher an der Längsachse L gelegenen Leitfläche 32 ist in Art einer periodischen Querprofilierung ausgebildet, die aus dem Detail in 2B näher ersichtlich ist. 2B zeigt etwa eine Periode der Querprofilierung und deren Lage bezüglich der ungewellten Leitfläche 30 in Ansicht von vorne (Blick in Richtung Längsachse L). Die Welligkeit ist aus gegenüber einer virtuellen Referenzfläche 34 abwechselnd in gegenüberliegende Richtungen gerichteten, vorliegend gerundeten Erhebungen 36, 38 gebildet. Die Erhebungen 36, 38 könnten auch eine andere Form, beispielsweise spitz, rechteckförmig oder sägezahnartig aufweisen. Bezüglich der Längsachse L stellen die Erhebungen 36 Wellentäler, die Erhebungen 38 Wellenberge dar. Der Abstand zwischen den tiefsten bzw. höchsten Punkten (Extrema) der Erhebungen 36, 38 ist definiert eine Höhe h der Welligkeit, während der Abstand zwischen den Extrema zweier gleich gerichteter Erhebungen 36, 38, hier gezeigt anhand der Wellenberge 38, die Weite a der Welligkeit („Welligkeitsweite“) bezeichnet.
Die wellige Leitfläche 32 steht mit der ungewellten Leitfläche 30 über Extrema ihrer jeweils gleich gerichteten Erhebungen 38 (Wellenberge) in Berührung, sodass separate, in axialer Richtung verlaufende Kanäle 23 der Zufuhrdüsen 22 mit den Auslässen 24 gebildet sind. Die Kanäle 23 sind somit gegeneinander über die Berührungslinien der Leitflächen 30, 32 abgegrenzt. Ihr Querschnitt wird dabei von dem Profil der Wellenform definiert, das damit die Form der Auslässe 24 festlegt.
Die äußere Leitfläche 30 ist von einer Oberfläche eines Außenrings 31 als Trägerkörper gebildet, dessen rechtwinklig zu der Leitfläche 30 verlaufende, in Richtung Brennkammer 10 weisende Fläche einen äußeren Teil einer Stirnwand 17.1 der eingangsseitigen Stirnseite 15 bildet. Dieser äußere Teil der Stirnwand 17.1 ist orthogonal zu der Längsachse L ausgerichtet. Der Außenring 31 besteht z. B. aus Vollmaterial, kann aber auch durch eine Wandung gebildet sein. Die innere Leitfläche 32 ist durch die Oberfläche einer Wandung 17 gebildet, die auf ihrer gegenüberliegenden Seite den Großteil der eingangsseitigen Stirnwand 17.1 bildet, welche radial innerhalb des Düsenrings 25 angeordnet ist. Die Wandung 17 umfasst mit der Stirnwand 17.1 brennkammerseitig eine gegenüber den Auslässen 24 entgegen der Strömungsrichtung zurückversetzte, stirnseitige Ausnehmung 19. Der Verlauf der Leitflächen 30, 32 stromauf der Zufuhrdüsen 22 entspricht vorliegend, abgesehen von der Welligkeit der Leitfläche 30, im Wesentlichen dem Verlauf bei der Variante aus 3A, und wird in Zusammenhang mit 6 genauer erläutert.
3A zeigt eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Brennerkopfes 20, der ähnlich der Variante gemäß 2A ausgebildet ist, jedoch mit einer zusätzlichen Welligkeit der äußeren Leitfläche 30. Die Welligkeit der Leitflächen 32 und 30 sind dabei gleichartig ausgebildet, insbesondere mit gleichen Welligkeitsweiten a und Höhen h (vgl. 3B). Die Leitflächen 30, 32 mit den Welligkeiten sind derart radial zueinander versetzt angeordnet, dass die (Wellentäler bildenden) Erhebungen 36 der äußeren Leitfläche 30 mit den (Wellenberge bildende) Erhebungen 38 der Leitfläche 32 jeweils mit ihren Extrema in Berührung stehen, also um eine halbe Periode zueinander versetzt. Auch ein anderer Versatz wäre möglich, wobei sich ggf. eine größere Berührungsfläche und eine kleinere Fläche der Auslässe 24 ergeben würde. Die Höhe der Auslässe 24 ergibt sich bei dieser Ausführungsvariante aus der Summe der Höhen h₁ und h₂ der Welligkeiten, wobei die Breite der Auslässe 24, ebenso wie in 2, durch die Welligkeitsweite a bestimmt ist.
4 bzw. 5 zeigen die Varianten des Brennerkopfes 20 gemäß 2A bzw. 3A in perspektivischer Ansicht von hinten, aus Richtung des Oxidatorplenums 21. Zu erkennen ist dabei die Brennstoffzufuhr 26, die vorliegend radial um die Längsachse L angeordnete, einzelne Brennstoff-Zufuhrdüsen 27 aufweist. Diese werden von einem (hier nicht dargestellten) zentralen Brennstoffverteiler gespeist. Dabei ist vorliegend jeder der Zufuhrdüsen 22 eine Brennstoff-Zufuhrdüse 27 zugeordnet.
Wie die Schnittdarstellung in 6 (bezüglich der Ausführungsvariante gemäß 3) erkennen lässt, münden die Brennstoff-Auslässe 28 der Brennstoff-Zufuhrdüsen 27 in das Oxidatorplenum 21 stromauf der Zufuhrdüsen 22, kurz bevor das Oxidatorplenum 21 in die separate Zufuhrdüsen 22 übergeht. An der axialen Position der Brennstoff-Auslässe 28 werden die Leitflächen 30 und 32 derart konisch aneinander herangeführt, dass die Strömung in diesem axialen Bereich, vor Eintritt in die Zufuhrdüsen 22, eine Beschleunigung erfährt. Durch die Positionierung der Brennstoff-Auslässe 28 in diesem axialen Bereich der Beschleunigung wird eine Stabilisierung einer Flamme an der Brennstoffzufuhr 26 erschwert. Der axiale Abschnitt zwischen den Brennstoff-Auslässen 28 und den Auslässen 24 dient als Mischstrecke zwischen Oxidator und Brennstoff.
Wie 6 zeigt, ist die innere Leitfläche 32 stromauf der Zufuhrdüsen 23 in das zusammenhängende Oxidatorplenum 21 fortgeführt, ebenso wie die äußere Leitfläche 30. Stromauf des parallelen Verlaufes zur Längsachse L im Bereich der Zufuhrdüsen 22 schließt sich ein axialer Bereich an, in dem sich der Abstand zwischen der inneren Leitfläche 32 und der äußeren Leitfläche 30 gegen die Hauptströmungsrichtung vergrößert. Die Vergrößerung wird im Wesentlichen durch eine sich konisch verjüngende Führung der inneren Leitfläche 32 in diesem Abschnitt erreicht. Die äußere Leitfläche 30 weitet sich etwas radial auf, auch, um den in diesen Bereich hineinragenden Brennstoff-Zufuhrdüsen 27 Raum zu bieten. Die äußere Leitfläche 30 endet in diesem axialen Bereich, während die innere Leitfläche 32 mit ihrem Wellental parallel zu der Längsachse L verlaufend weitergeführt ist, wobei vorliegend die Länge dieses axialen Abschnitts in etwa der Länge der Zufuhrdüsen 22 entspricht, aber auch länger oder kürzer ausgebildet sein kann. Die Flächenführung sowie die Länge können auch anders ausgebildet sein, wobei jedoch eine Flächenführung derart, dass die Strömung stromauf der Zufuhrdüsen 22 zumindest abschnittsweise beschleunigt wird, von Vorteil ist. Stromauf des parallelen axialen Abschnittes endet die Leitfläche 32 und die Wandung ist orthogonal zu der Längsachse L ausgerichtet, um brennkammerseitig einen Boden der Ausnehmung 19 zu bilden. Die Welligkeit der beiden Leitflächen 30, 32 nimmt stromauf der Zufuhrdüsen 22 im Flächenverlauf gegen die Hauptströmungsrichtung ab, um einen kontinuierlichen Übergang hin zu den Zufuhrdüsen 22 zu ermöglichen, wobei eine anliegende, gleichmäßige Strömung ausgebildet wird. Die Leitfläche 32 ist in dem Bereich der Zufuhrdüsen 22 auf der der Stirnwand 17.1 gegenüberliegenden Seite der Wandung 17 angeordnet. Auch weiter stromauf, in dem Oxidatorplenum 21 liegt die Leitfläche 32 gegenüber der Stirnwand 17.1.
Im Betrieb wird der Oxidator über das Oxidatorplenum 21 an den Brennerkopf 20 herangeführt und zunächst über die in Strömungsrichtung zunehmend gewellte innere Leitfläche 32 in Richtung Zufuhrdüsen 22 geleitet. Auf ihrem Weg wird sie in dem konisch verlaufenden axialen Abschnitt, in dem sich die beiden Leitflächen aneinander annähern, wodurch sich der Strömungsquerschnitt verringert, beschleunigt. In diesem Bereich der sich beschleunigenden Strömung wird der Brennstoff über die Brennstoff-Auslässe 28 in den Oxidator zugegeben. Die Gase strömen weiter in die Zufuhrdüsen 22, wo sie sich zumindest teilweise vermischen, bevor sie nahe der Umfangswandung 12 axial der Brennkammer 10 zugeführt werden. Dort bildet sich stromab der Zufuhrdüsen 22 die Flammenzone 16 und die innenliegende Rezirkulationszone 18 aus (vgl. auch 1). Dabei kann die Rezirkulationsströmung 18 in die gegenüber dem Düsenring 25 bzw. den Auslässen 24 zurückversetzte Ausnehmung 19 hinein und nach ihrer Umkehrung entlang der Stirnwand 17.1 weitgehend gleichgerichtet zu den Frischgasen in den Zufuhrdüsen 22 strömen, wie durch die Pfeile in 6 angedeutet. An den Auslässen 24 werden dadurch gegenläufige Wirbel induziert, die eine gute Mischung zwischen rezirkulierten Abgasen und zugeführten Frischgasen bewirken.
7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Variante des Brennerkopfes 20. Dabei sind zwei weitere Leitflächen, eine dritte Leitfläche 42 und eine vierte Leitfläche 44, zur Bildung eines weiteren, weiter innen liegenden Düsenrings 40 vorgesehen. Sowohl die dritte, äußere Leitfläche 42 als auch die vierte, innere Leitfläche 44 des weiteren Düsenrings 40 sind wellig ausgebildet. Die innere Leitfläche 32 des äußeren Düsenrings 25 und die äußere Leitfläche 42 des inneren Düsenrings 40 sind durch je eine Seite eines gemeinsamen Leitbleches 41 gebildet und liegen einander parallel gegenüber. Durch diese Ausbildung wird die Anzahl der Zufuhrdüsen 22 gegenüber den Ausführungsvarianten gemäß 2 und 3 erhöht. Jeder der Zufuhrdüsen 22 ist dabei eine Brennstoff-Zufuhrdüse 27 zugeordnet. Der äußere Düsenring 25 und der innere Düsenring 40 können eine gemeinsame Brennerstufe oder auch unterschiedliche Brennerstufen, beispielsweise eine Pilotstufe (vorzugsweise innerer Düsenring 40) zur Stabilisierung einer Hauptstufe (vorzugsweise äußerer Düsenring 25) bilden. In einer weiteren bevorzugten, hier nicht gezeigten Ausgestaltungsvariante endet die Wandung 17 axial zurückversetzt gegenüber dem Leitblech 41, sodass die darauf angeordnete Leitfläche 44, die die innerste der Leitflächen bildet, stromauf der übrigen Leitflächen 42, 32 und 30 endet. Auf diese Weise sind die Auslässe 22 der weiteren Düsenreihe 40 gegenüber den Auslässen 22 der anderen, hier äußeren Düsenreihe 25 axial zurückversetzt angeordnet. Die Verbrennungszone des weiteren Düsenrings 40 bildet sich stromauf der Verbrennungszone des äußeren Düsenrings 25 aus. Wenn die Düsenreihe 40 ausreichend weit zurückversetzt ist, können von stromauf heiße Abgase mit darin befindlichen Verbrennungsradikalen an den weiter stromab befindlichen Düsenring 25 heranströmen. In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante wird der innere Düsenring 40 beispielsweise als Pilotstufe verwendet, dessen heiße Abgase die weiter stromab befindliche Hauptstufe stabilisieren können.
8 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Brennerkopfes 20 in Draufsicht aus Richtung der Brennkammer 10. Bei dieser Variante beträgt der radiale Abstand des Düsenrings 25 bezüglich der Mittelpunkte der Auslässe 24 zwischen 0,35 und 0,75 des Brennkammer-Innenradius. Zu beachten ist bei dieser Ansicht, dass nicht der gesamte sichtbare Flächenbereich, sondern lediglich der innerhalb einer Umgrenzung 12.1 gelegene Bereich innerhalb der Brennkammer 10 angeordnet ist, von der aus sich die Umfangswandung 12 erstreckt. Eine Auslegungsregel kann z. B. sein, dass die Fläche innerhalb des von der Austrittsfläche umgebenen Bereiches 0,25 der gesamten Brennerstirnfläche (innerhalb der Umgrenzung 12.1) beträgt. Im Falle von Kreisflächen ergäbe sich bei einer derartigen Auslegung, dass der radiale Abstand der Austrittfläche gleich 0,5 des Brennkammer-Innenradius beträgt.
Wie 9 zeigt, ist die innere der Leitflächen, Leitfläche 32, entgegen der Strömungsrichtung konisch verjüngt ausgebildet, und läuft stromauf der Zufuhrdüsen 22 an einem Positionierelement 48 gerundet zusammen. In dem konischen Bereich beträgt ein Winkel α der Verjüngung gegenüber der axialen Richtung (d.h. parallel zur Längsachse L bezüglich des Wellentals) zwischen 15° und 45°, zum Beispiel 25°. Dadurch weisen die Zufuhrdüsen 22 neben der axialen Richtungskomponente eine nach außen gerichtete, radiale Richtungskomponente auf, wodurch die Strömung im Wesentlichen im Winkel α nach außen gerichtet in die Brennkammer 10 eintritt. So wird trotz der radial weiter beabstandeten Umfangswandung 12 eine ausgeprägte innere Rezirkulationszone 18 erreicht und eine axial kompakte Flammenform ausgebildet. Der Winkel α könnte sich auch stromauf im Verlaufe der Verjüngung verändern. Dort, wo die Leitfläche 32 am Ende der Verjüngung zusammenläuft, ist vorliegend das zentrale Positionierelement 48 an die Wandung 17 bzw. die Leitfläche 32 angebracht, um den Brennerkopf 20 zu stabilisieren.
Unterstützt wird die nach außen gerichtete Strömungsführung dadurch, dass die äußere Leitfläche 30 zumindest im Bereich der Zufuhrdüsen 22 ebenfalls einen sich entgegen der Strömungsrichtung verjüngenden, konischen Verlauf aufweist. Der Winkel β der Verjüngung ist zumindest im Bereich der Zufuhrdüsen 22 gleich oder kleiner als der Winkel α der inneren Leitfläche 32. Stromauf der Zufuhrdüsen 22 ist die Leitfläche 30 nahezu parallel der Längsachse L geführt. In dem axialen Bereich, in dem die innere Leitfläche 32 zusammenläuft, weitet sich die äußere Leitfläche 30 über eine gerundete Flächenführung nach außen in das Oxidatorplenum 21 auf. Durch diese Flächenführung wird der Oxidator zunächst durch das großflächige Oxidatorplenum 21 strömungsgünstig an die Leitflächen 30 und 32 herangeführt, zwischen den sich annähernden Leitflächen 30 und 32 beschleunigt und schließlich im Wesentlichen in dem Winkel α in die Brennkammer 10 zugeführt.
Der Brennstoff wird vorliegend über die Brennstoffzufuhr 26 über Brennstoff-Zufuhrdüsen 27 zugegeben, deren Auslässe 28 zu Beginn der Beschleunigungsstrecke in die Oxidatorströmung münden. Die Brennstoff-Zufuhrdüsen 27 sind dabei radial um die Längsachse L angeordnet und weisen einen geringeren radialen Abstand von der Längsachse L auf als die in die Brennkammer 10 mündenden Zufuhrdüsen 22.
10 zeigt eine ähnliche Ausführungsvariante des Brennerkopfes 20 wie 9, jedoch mit einer unterschiedlich ausgestalteten Brennstoffzufuhr 26. In 11 ist die entsprechende Ansicht von hinten, aus dem Oxidatorplenum, gezeigt. Dabei ist der Brennstoff bis zu den Auslässen 28 in den Oxidator von einem Brennstoffleitblech 46 umgeben, dass eine in Hauptströmungsrichtung des Brennstoffes verlaufende zunehmende Welligkeit aufweist. Vorliegend sind die Kanäle der Brennstoffzufuhr 26 in dem Brennstoffleitblech 46 integriert und verlaufen mit ihm in axial-radialer Richtung nach außen. Denkbar wäre auch eine Brennstoffzufuhr 26 entsprechend der erfindungsgemäßen Ausgestaltung zwischen zwei Leitflächen 30, 32. Die Auslässe 28 sind radial um die Längsachse L angeordnet, mit einem geringeren radialen Abstand zu der Längsachse L als der des Düsenrings 25, und liegen in dem Bereich der beschleunigten Oxidatorströmung. Stromauf gegen die Anströmrichtung des Oxidators ist das Brennstoffleitblech 46 konisch verjüngt, wobei der Winkel der Verjüngung vorliegend kleiner ist als der Winkel α. Durch die Verjüngung wird zum einen eine strömungsgünstige Form und Lage innerhalb der Oxidatorströmung erreicht. Zum anderen wird der Brennstoff nicht nur mit einer axialen, sondern mit einer zusätzlichen radialen Richtungskomponente in den Oxidatorstrom zugegeben, was eine gute Einmischung in den Oxidator begünstigt.
In einer weiteren vorteilhaften, hier nicht dargestellten, Ausgestaltungsvariante sind die Varianten mit dem außen liegenden Düsenring 25, z. B. wie in 2 oder 3 gezeigt, mit der Variante mit weiter innen liegendem Düsenring 40, wie z. B. in 8 bis 11 gezeigt, kombiniert. Dabei kann beispielsweise der äußere Düsenring 25 als Hauptstufe, der innere Düsenring 40 als Pilotstufe betrieben werden. Als Brennstoffzufuhr 26 können dabei Brennstoff-Zufuhrdüsen 27 und/oder ein Brennstoffleitblech 46 vorhanden sein, wobei für einzelne Brennerstufen getrennte Brennstoffzufuhren 26 verwendet werden, die unterschiedliche ausgebildet sein können.
Wie die - nicht abschließenden - Ausführungsbeispiele verdeutlichen, lässt sich der erfindungsgemäße Brennerkopf 20 in einer Vielzahl von Varianten mit verhältnismäßig geringem Material- und Fertigungsaufwand gestalten. So erlaubt die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Zufuhrdüsen 22, das aus dem Stand der Technik bekannte Design zu vereinfachen und Fertigungskosten zu reduzieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1497589 B1 [0002]
EP 1995515 B1 [0003]

Claims

Brennerkopf (20) zur eingangsseitigen Anordnung an einer Brennkammer (10) und Zufuhr von Brennstoff und Oxidator in die Brennkammer (10) zumindest teilweise vorgemischt über gemeinsame Zufuhrdüsen (22) oder getrennt über separate Zufuhrdüsen (22), derart, dass sich im Betrieb eine Rezirkulationsströmung mit durch eine Rezirkulationszone (18) zurückgeführtem Abgas ausbildet, mit einer Brennstoffzufuhr (26) und in zumindest einer Düsenreihe angeordneten Zufuhrdüsen (22) mit brennkammerseitigen Auslässen (24), dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Düsenreihe die Zufuhrdüsen (22) von zwei einander gegenüberliegenden, in Strömungsrichtung verlaufenden Leitflächen (30, 32) gebildet sind, von denen zumindest eine Leitfläche (32) wellig mit in Richtung einer Längsachse (L) verlaufenden, im Querschnitt abwechselnd in gegenüberliegende Richtungen gerichteten Erhebungen (36, 38) ausgebildet ist, wobei die wellige Leitfläche (32) über ihre jeweils gleichgerichteten Erhebungen (36, 38) mit der anderen, flachen oder ebenfalls welligen Leitfläche (30) in Berührung steht, sodass separate, mit axialer Richtungskomponente verlaufende Kanäle (23) der Zufuhrdüsen (22) gebildet sind, die in die brennkammerseitigen Auslässe (24) münden.
Brennerkopf (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Leitflächen (30, 32) stromauf der Zufuhrdüsen (22) in ein zusammenhängendes Gasplenum zur Versorgung der Zufuhrdüsen (22), insbesondere in ein Oxidatorplenum (21), fortgeführt ist.
Brennerkopf (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Leitflächen (30, 32) in das Gasplenum fortgeführt sind, wobei die Leitflächen (30, 32) voneinander beabstandet angeordnet sind, insbesondere mit einem sich zumindest abschnittsweise gegen die Hauptströmungsrichtung vergrößernden Abstand.
Brennerkopf (20) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welligkeit der zumindest einen welligen Leitfläche (30, 32) stromauf der Zufuhrdüsen (22) im Flächenverlauf entgegen der Hauptströmungsrichtung abnimmt.
Brennerkopf (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Leitflächen (30, 32) im Bereich der Zufuhrdüsen (22) wellig ausgebildet sind, insbesondere mit gleichen Welligkeitsweiten (a), und derart versetzt zueinander angeordnet sind, dass die Leitflächen (30, 32) zur Bildung von separaten Kanälen (23) insbesondere mit ihren gegenläufigen Erhebungen (36, 38) miteinander in Berührung stehen.
Brennerkopf (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den beiden Leitflächen (30, 32) zumindest zwei weitere Leitflächen (42, 44), zur Bildung einer weiteren Düsenreihe vorgesehen sind, wobei zumindest eine der Leitflächen (42, 44) im Bereich der Zufuhrdüsen (22) wellig ausgebildet ist.
Brennerkopf (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der weiteren Leitflächen (42, 44) brennkammerseitig stromauf der beiden anderen Leitflächen (30, 32) endet, sodass die Auslässe der weiteren Düsenreihe gegenüber der anderen axial zurückversetzt angeordnet ist.
Brennerkopf (20) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Leitflächen (30, 32) der einen Düsenreihe und eine der Leitflächen (42, 44) der weiteren Düsenreihe durch je eine Seite eines gemeinsamen Leitbleches (41) gebildet sind, die einander, insbesondere parallel, gegenüberliegen.
Brennerkopf (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr (26) für eine zumindest teilweise Vormischung stromauf der Brennkammer (10) einzelne, von einem Brennstoffverteiler gespeiste Brennstoff-Zufuhrdüsen (27) aufweist, die in das Oxidatorplenum (21) stromauf der Zufuhrdüsen (22) und/oder innerhalb zumindest einiger der Zufuhrdüsen (22) münden.
Brennerkopf (20) nach einem der vorhegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr (26) für eine zumindest teilweise Vormischung stromauf der Zufuhrdüsen (22) innerhalb des Oxidatorplenums (21) erfolgt, wobei der Brennstoff bis zum Auslass in den Oxidator von einem Brennstoffleitblech (46) umgeben ist, das eine in Hauptströmungsrichtung des Brennstoffes verlaufende, insbesondere zunehmende Welligkeit, aufweist.
Brennerkopf (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Leitflächen (30, 32) zur Bildung einer Düsenreihe in Form eines Düsenrings (25, 40) radial um die Längsachse (L) umlaufend angeordnet sind, wobei die innere Leitfläche (32) einen kleineren minimalen radialen Abstand von der Längsachse (L) aufweist als die äußere Leitfläche (30).
Brennerkopf (20) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Leitfläche (32, 44) durch die Oberfläche einer Wandung (17) gebildet ist, die bei Anordnung an der Brennkammer (10) zumindest einen Teil einer eingangsseitigen Stirnwand (17.1) bildet und eine gegenüber den Auslässen (24) des Düsenrings (25, 40) entgegen der Strömungsrichtung zurückversetzte, stirnseitige Ausnehmung (19) umfasst.
Brennersystem (1) mit einer sich in Richtung einer Längsachse (L) erstreckenden Brennkammer (10), die einen von einer Umfangswandung (12) umgrenzten Brennraum (14) umfasst, innerhalb dessen im Betrieb eine Rezirkulationsströmung mit durch eine Rezirkulationszone (18) zurückgeführtem Abgas ausgebildet ist, und einem eingangsseitig an der Brennkammer (10) angeordneten Brennerkopf (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Brennersystem (1) nach Anspruch 13 mit einem Brennerkopf (20) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenring (25, 40) mit den Auslässen (24) in die Brennkammer (10) mündet, wobei im Betrieb die Rezirkulationsströmung mit einer großteils inneren Rezirkulationszone (18) ausgebildet ist.
Brennersystem (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand der Mittelpunkte der Auslässe (24) eines äußeren Düsenrings (25) zu der Längsachse (L) zwischen 0,75 des Brennkammer-Innenradius und einem Radius beträgt, bei dem der Radius der Außenseiten der Auslässe (24) dem des Brennkammer-Innenradius entspricht.
Brennersystem (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrdüsen (22) zumindest eines Düsenrings (25, 40) in ihrem Längsverlauf parallel zur Längsachse (L) ausgerichtet sind.
Brennersystem (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand der Mittelpunkte der Auslässe zumindest eines Düsenrings (25, 40) zu der Längsachse (L) zwischen 0,35 und 0,75 des Brennkammer-Innenradius beträgt.
Brennersystem (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Leitfläche (32) entgegen der Strömungsrichtung konisch verjüngt ist, wobei ein Winkel (α) der Verjüngung gegenüber der axialen Richtung zwischen 10° und 80°, vorzugsweise zwischen 15° und 45°, z.B. 25° beträgt.
Brennersystem (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Leitflächen (30) zumindest im Bereich der Zufuhrdüsen (22) einen sich entgegen der Strömungsrichtung verjüngenden, konischen Verlauf aufweist, wobei ein Winkel (β) der Verjüngung gegenüber der axialen Richtung gleich oder kleiner ist als der Winkel (α) der inneren Leitfläche (32).
Brennersystem (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-Zufuhrdüsen (27) oder das Brennstoffleitblech (46) stromauf des Düsenrings (25, 40) um die Längsachse (L) angeordnet sind/ist und einen geringeren radialen Abstand von der Längsachse (L) aufweist/en als die in die Brennkammer (10) mündenden Zufuhrdüsen (22).
Verwendung des Brennersystems (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 20 in einer Gasturbinenanordnung, insbesondere einer Mikrogasturbinenanordnung, mit einer ausgangsseitig der Brennkammer (10) angeschlossenen Turbine.