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Die Erfindung betrifft einen Brennerkopf zur Zufuhr von Brennstoff und Oxidator über zumindest eine eingangsseitig in eine Brennkammer mündende Zufuhröffnung des Brennerkopfes, mit einer Brennerstirnwand zur Angrenzung an die Brennkammer, einer Brennstoffzufuhr mit zumindest einer ausgangsseitigen Brennstoff-Zufuhröffnung und einem von einer Leitflächenanordnung umgrenzten Zufuhrbereich zur Leitung des Oxidators an die Zufuhröffnung am stromabseitigen Ende des Zufuhrbereichs. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennersystem und ein Verfahren zum Betreiben des Brennersystems.
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Ein Brennerkopf dieser Art ist bspw. in der zum Anmeldezeitpunkt noch unveröffentlichten
DE 10 2016 118 633 der Anmelderin angegeben. Ein weiterer derartiger Brennerkopf ist aus der
EP 1 497 589 B1 bekannt. Dabei kann die Zufuhr von Oxidator und Brennstoff in die Brennkammer zumindest teilweise vorgemischt über zumindest eine gemeinsame Zufuhröffnung oder getrennt über separate Zufuhröffnungen erfolgen.
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Derartige Brennerköpfe kommen in Brennersystemen in diversen technischen Anwendungen zum Einsatz. Große Verbreitung finden sie bspw. in Gasturbinen, z. B. in rekuperierten Mikrogasturbinenanordnungen, wie sie zur Kraft-/Wärmekopplung bei Einfamilienhäusern, Wohneinheiten, größeren Bürokomplexen oder sonstigen strom- und/oder wärmeverbrauchenden Einheiten eingesetzt werden. Weitere Anwendungsgebiete betreffen etwa Mikrogasturbinenanordnungen als Alternative zu Industriebrennern in der Prozessgas- und/oder -wärmeerzeugung, Industriebrenner separat oder wärmeerzeugende Einheiten in Sterlingmotoren.
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Die Brennersysteme werden i. d. R. optimiert auf einen bestimmten Betriebs- bzw. Lastpunkt, meist unter Volllast, für bestimmte Brennstoffe zur Verbrennung mit Oxidator ausgelegt. Als Oxidator wird i. d. R. Luft oder Luft versetzt mit weiteren Gasen (z. B. Abgas und Prozessgas) verwendet, während als Brennstoff meist gasförmige, bspw. kohlenwasserstoff- und/oder wasserstoffhaltige Gase, aber auch flüssige Energieträger eingesetzt werden. Die Auslegung erfolgt dabei über die Geometrie von Brennkammer und Brennerkopf, die derart festgelegt wird, dass das Brennersystem im Auslegungspunkt emissionsoptimiert und stabil betreibbar ist.
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In den technischen Anwendungsgebieten gewinnen zunehmend flexible Betriebsweisen an Bedeutung, die den Bedarf an Brennersystemen erhöhen, die z. B. auch im Teillastbereich oder mit unterschiedlichen Brennstoffen zuverlässig und auf einem niedrigen Emissionsniveau betreibbar sind. Im Teillastbereich, oder auch mit anderen Brennstoffen, ändern sich häufig die Bedingungen für den Betrieb der Brennersysteme derart, dass die Auslegungsparameter, wie z. B. das Brennstoff-Luftverhältnis und damit die Aufteilung von Oxidatorströmen über den Brenner und/oder die Austrittsgeschwindigkeit aus den Zufuhröffnungen, nicht mehr optimal sind oder sich nachteilig ändern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brennerkopf zum Einsatz in einem Brennersystem bereitzustellen, mit dem das Brennersystem emissionsarm und flexibel betreibbar ist, sowie ein entsprechendes Brennersystem und ein Verfahren zum Betreiben des Brennersystems.
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Die Aufgabe wird für den Brennerkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1, für das Brennersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 17 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst.
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Für den Brennerkopf ist vorgesehen, dass der Brennerkopf einen festgelegten Teil und einen diesem gegenüber im Betrieb beweglichen Teil aufweist, der gegenüber dem festgelegten Teil mittels einer Verstelleinrichtung derart definiert verstellbar ist, dass sich innerhalb des Brennerkopfes, insbesondere innerhalb des Zufuhrbereichs, eine die Zufuhr von Brennstoff und/oder Oxidator beeinflussende Geometrieänderung ergibt.
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Der festgelegte Teil des Brennerkopfes befindet sich in montiertem Zustand an der Brennkammer gegenüber dieser in einer definierten festen Position, wobei er z. B. an der Brennkammer selbst und/oder an anderer Stelle befestigt ist. Die Befestigung kann lösbar (z. B. gesteckt) oder unlösbar (d. h. nicht zerstörungsfrei lösbar, z. B. durch Schweißen) ausgeführt sein. Der Zufuhrbereich dient mittels seiner ihn umgebenden Leitflächenanordnung, wobei eine oder auch mehrere Leitflächen bzw. Leitflächenabschnitte vorhanden sein können, dazu, den Oxidator gezielt an zumindest eine Zufuhröffnung am stromabseitigen Ende des Zufuhrbereichs heranzuführen. Eine gegebenenfalls vorhandene Aufteilung des Oxidatorstroms, bspw. in unterschiedliche Brennluftströme bei Vorhandensein mehrerer Brennerstufen und/oder die Abtrennung eines Mischluftstroms zum Einbringen in die Brennkammer z. B. stromab der Verbrennungszone, erfolgt stromauf des Zufuhrbereichs. In dem Zufuhrbereich liegt vorzugsweise eine deutlich höhere, z. B. doppelt so hohe oder höhere maximale Strömungsgeschwindigkeit vor als bspw. in einem Oxidatorplenum, das stromauf des Zufuhrbereichs angeordnet sein kann, wobei die Strömung in dem Zufuhrbereich weiter auf die Austrittsgeschwindigkeit als maximale Strömungsgeschwindigkeit beschleunigt werden kann. Der Zufuhrbereich kann bspw. durch eine oder mehrere Zufuhrdüse/n und/oder Leitfläche/n gebildet sein. Möglich wäre auch, dass der Brennerkopf mehrere Zufuhrbereiche, bspw. bei Vorhandensein mehrerer Brennerstufen, aufweist, wobei wenigstens einem der Zufuhrbereiche ein beweglicher Teil zugeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Brennerkopfes erlaubt die Beeinflussung unterschiedlicher, auf den Verbrennungsprozess wirkender Parameter, die über die Geometrie des Brennerkopfes festgelegt werden. Die Änderung kann z. B. gegenüber einer Grundposition des beweglichen Teils erfolgen, in der die Geometrie derjenigen bei einem Auslegungsbetriebspunkt, z.B. bei Volllast, entspricht. Beeinflussbar ist z. B. bei Vorhandensein mehrerer, der Brennkammer zugeführter Oxidatorströme (z. B. Mischluft zusätzlich zu Brennluft, mehrere Brennluftströme bei Vorhandensein mehrerer Brennerstufen) deren Aufteilung aus einem Gesamtstrom in mehrere Massen- bzw. Volumenströme. Der Gesamtstrom wird an die Brennkammer, z. B. in ein Oxidatorplenum, herangeführt und teilt sich dort nach einem bestimmten Verhältnis entsprechend der Druckverluste der weiteren einzelnen Strömungswege auf. In dem Stand der Technik ist das Verhältnis auf ein bestimmtes Verhältnis bei einem Auslegungsbetriebspunkt über die Geometrie, insbesondere des Brennerkopfes, festgelegt, das auch bei Teillast im Wesentlichen konstant bleibt. Durch die erfindungsgemäße Änderung der Geometrie ist das Verhältnis änderbar. Daneben kann, insbesondere bei einem Brennersystem mit lediglich einem Oxidatorstrom, wie z. B. einem Industriebrenner, die Austrittsgeschwindigkeiten der Reaktanden (Oxidator und/oder Brennstoff) aus der/den Zufuhröffnung/en (Eintrittsgeschwindigkeit in die Brennkammer) über die Änderung der Fläche der Zufuhröffnung beeinflusst werden. Ein weiteres Beispiel betrifft, bei Vormischung von Oxitator mit Brennstoff, die Mischstrecke bzw. Mischzeit, die zwischen Brennstoffzugabe und Eintritt in die Brennkammer liegt. Diese kann durch Änderung der Brennstoffzugabeposition variiert werden, was insbesondere bei dem Einsatz unterschiedlicher Brennstoffe bei einem brennstoffflexiblen Brennersystem vorteilhaft ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante bewirkt die Geometrieänderung eine Veränderung des Strömungsquerschnitts in dem Zufuhrbereich gegenüber einer Ausgangsgeometrie in einer Grundposition des beweglichen Teils in zumindest einem Abschnitt. Unter „Abschnitt“ wird ein durchströmter Bereich in dem Zufuhrbereich verstanden, der sehr klein, im Grenzfall bis hin zu einer, z. B. axialen, Position sein kann. Der Abschnitt kann sich stromauf der Zufuhröffnung oder an der Zufuhröffnung befinden. In der Grundposition entspricht die Ausgangsgeometrie z. B. einer bei einem Auslegungsbetriebspunkt optimierten Geometrie, vorzugsweise bei Volllast.
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Mittels des beweglichen Teils kann z.B. durch eine Veränderung in Form einer Verkleinerung des Strömungsquerschnitts eine Teilversperrung des Strömungsweges in dem Zufuhrbereich vorgenommen werden, d. h. es erfolgt eine Geometrieänderung in der Oxidatorführung des Brennerkopfes. Dabei liegt vorzugsweise bei Volllast, wo in der Regel die größten Oxidatorströme vorliegen, der größtmögliche Strömungsquerschnitt vor, wobei sich der bewegliche Teil in einer Grundposition befindet. Dadurch ist ein geringstmöglicher Druckverlust in der Grundposition erreichbar, was sich günstig auf die Effizienz des Gesamtsystems auswirkt. Wird der bewegliche Teil gegenüber der Grundposition verstellt, verkleinert sich der Strömungsquerschnitt, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit in dem entsprechenden Abschnitt erhöht. Dies hat insbesondere bei relativ hohen Strömungsgeschwindigkeiten, von z. B. mehr als 30 m/s, wie sie in dem Zufuhrbereich zumindest abschnittsweise vorliegen, einen erhöhten Druckverlust zur Folge. Dadurch kann eine ggf. vorhandene geometriebedingte Aufteilung von Oxidatorstömen verändert werden, wobei sich bei Erhöhung des Druckverlustes in dem Zufuhrbereich der dort hindurchgeleitete Oxidatorstrom verringert.
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Im beispielhaften Falle einer Mikrogasturbinenanordnung kann so im Teillastfall die Brennluftmenge (durch den Brennerkopf) verringert werden, bei gleichzeitiger Erhöhung eines Mischluftstromes, sodass sich das Verhältnis von Brennluft- zu Mischluftstrom verringert. So kann der Teillastbetrieb der Mikrogasturbinenanordnung insbesondere bezüglich der Emissionen wesentlich verbessert werden: Bei drehzahlvariablen Mikrogasturbinenanlagen wird i. d. R. bei Teillast die Drehzahl und damit der Luftmassenstrom sowie das Druckverhältnis (das Verhältnis des Drucks vor und nach Verdichtung) reduziert. Eine Reduktion des Druckverhältnisses führt bei rekuperierten Mikrogasturbinen aufgrund der maximal zulässigen Eintrittstemperatur in den Rekuperator (entspricht der Austrittstemperatur der Turbine) zu einer Absenkung der Turbineneintrittstemperatur. Hierdurch wird der Brennstoffmassenstrom stärker abgesenkt als der Luftmassenstrom, was, bei Beibehaltung des Verhältnisses Brennluft zu Mischluft, wie im Stand der Technik, zu einer Abmagerung der Verbrennung führt. Das reduzierte Brennstoff-Luftverhältnis, bzw. die erhöhte Luftzahl führen dann zu niedrigeren Verbrennungstemperaturen und dadurch höheren CO-Emissionen und Emissionen an unverbrannnten Kohlenwasserstroffen. Durch die Verringerung der Brennluftmenge über die Reduktion des Verhältnisses Brennluft zu Mischluft, wie sie mit dieser Ausgestaltung des Brennerkopfes möglich ist, kann eine emissionsarme, stabile und zuverlässige Verbrennung, wie im Auslegungspunkt, auch unter Teillast erreicht werden.
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Weiterhin ermöglicht die Ausgestaltungsvariante vorteilhaft eine Anpassung der Austrittsgeschwindigkeit insbesondere von Oxidator, gegebenenfalls vorgemischt mit Brennstoff, insbesondere bei einem Brennersystem mit lediglich einem Oxidatorstrom, wie z. B. einem Industriebrenner oder Brennersystem im Einsatz bei Stirlingmotoren. Dabei ist zweckmäßigerweise der Abschnitt mit der Veränderung des Strömungsquerschnitts nahe oder an der Zufuhröffnung positioniert. Bei nun z. B. im Teillastfall verringerten Volumenströmen würde dies bei gleichbleibendem Strömungsquerschnitt in geringeren Austrittsgeschwindigkeiten resultieren, was die Verbrennung in einer stromab angeordneten Brennkammer beeinflussen könnte. Die Austrittsgeschwindigkeit ist bspw. für die Rezirkulation in der Brennkammer und damit für die Verbrennungsführung wesentlich mitverantwortlich.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist die zumindest eine Zufuhröffnung derart ausgebildet, dass sich im Betrieb in der Brennkammer eine Rezirkulationsströmung mit durch eine Rezirkulationszone zurückgeführtem Abgas ausbildet. Dabei ist vorzugsweise die Fläche der Zufuhröffnung im Wesentlichen orthogonal zu einer Längsachse des Brennerkopfes, entsprechend einer Längsachse einer Brennkammer, angeordnet. Vorteilhaft kann es sich dabei um einen Brennerkopf handeln, der aufgrund seiner Geometrie die Ausbildung einer im Wesentlichen inneren (d.h. umgeben von einer ringförmigen Flammenzone) Rezirkulationszone unterstützt, wie es bspw. durch eine ringförmige Anordnung von Zufuhrdüsen oder einer ringförmigen Zufuhröffnung der Fall ist. Eine derartige Verbrennungsführung in der Brennkammer setzt hohe Eintrittsgeschwindigkeiten, d.h. hohe Geschwindigkeiten in der Zufuhröffnung und vorzugsweise bereits im Zufuhrbereich voraus. Bei derart hohen Geschwindigkeiten (etwa zwischen 30 m/s und 150 m/s, z. B. 40 m/s und 120 m/s) wird bereits durch eine vergleichsweise kleine Verringerung des Strömungsquerschnitts und der damit verbundenen Geschwindigkeitserhöhung ein signifikanter Druckverlust bewirkt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante umfasst der festgelegte Teil zumindest einen Teil der Leitflächenanordnung des Zufuhrbereichs, bspw. die äußere, und/oder zumindest einen Teil der Brennerstirnwand. Wenn zumindest der radial äußere Teil der Brennerstirnwand festgelegt ist, erlaubt dies eine genaue Positionierung gegenüber der Brennkammer, deren Umfangswandung gegen diesen Teil der Stirnwand abgestützt werden kann. Das Festlegen zumindest eines Teils der Leitflächenanordnung erlaubt eine weitgehend gleichbleibend definierte Oxidatorleitung hin zu den Zufuhröffnungen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante umfasst der bewegliche Teil die Brennstoffzufuhr, wobei die Brennstoff-Zufuhröffnung stromauf der Zufuhröffnung in oder angrenzend an den Zufuhrbereich mündet und bei Verstellung in Richtung Zufuhröffnung, insbesondere in den Bereich einer Querschnittsverengung des Zufuhrbereichs hinein, verstellbar ist. Durch die Zugabe des Brennstoffes stromauf der Zufuhröffnung findet eine (zumindest teilweise) Vormischung von Brennstoff und Oxidator statt. Vorzugsweise münden die Brennstoff-Zufuhröffnungen stromauf angrenzend an oder in einen Bereich der Querschnittsverengung in dem Zufuhrbereich. Dadurch erfolgt im Betrieb unmittelbar stromab der Stelle der Brennstoffeindüsung eine (gegebenenfalls weitere) Beschleunigung der Oxidatorströmung. Durch eine derartige Ausgestaltung wird die Gefahr von Flammenrückschlag an die Brennstoffzufuhr minimiert. Wird nun die Brennstoffzufuhr mit den Brennstoff-Zufuhröffnungen in die Querschnittsverengung hinein verschoben, wird durch die in die Querschnittsverengung gebrachten Komponenten der Brennstoffzufuhr, wie z. B. Brennstoffdüsen, denen die Brennstoff-Zufuhröffnungen zugeordnet sind, und/oder Brennstoffzuleitungen, eine teilweise Versperrwirkung durch Verkleinerung des Strömungsquerschnitts erzielt. So kommt der Brennstoffzufuhr eine Doppelfunktion zu, sodass kein separater beweglicher Teil in dem Brennerkopf vorgesehen werden braucht. Selbstverständlich können auch mehrere Brennstoff-Zufuhröffnungen an der entsprechenden Peripherie (z. B. Brennstoffdüsen verbunden mit Brennstoffverteiler und Brennstoffzuleitung) der Brennstoffzufuhr vorhanden sein.
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Vorteilhafterweise umfasst der festgelegte Teil zumindest eine Zufuhrdüse, die den Zufuhrbereich bildet oder diesem zugeordnet ist und welche am stromabseitigen Ende die Zufuhröffnung aufweist. Dabei können insbesondere auch mehrere Zufuhrdüsen vorhanden sein, die z. B. als Düsenring in der Brennerstirnwand befestigt sind. Vorzugsweise ist dann die gesamte Brennerstirnwand dem festgelegten Teil des Brennerkopfes zugeordnet. Die Zufuhrdüsen (bzw. die eine Zufuhrdüse) können ausgehend von einem stromauf angeordneten Plenum alleine als Zufuhrbereich mit den stromab angeordneten Zufuhröffnungen dienen (sie „bilden“ dann gemeinsam den Zufuhrbereich). Möglich ist auch, dass stromauf der Zufuhrdüsen zunächst der Zufuhrbereich zusammenhängend z. B. bis in ein Oxidatorplenum fortgeführt ist (dabei sind die Zufuhrdüsen dem Zufuhrbereich „zugeordnet“). Durch das Vorhandensein von Zufuhrdüsen lässt sich im Betrieb des Brennerkopfes in einem Brennersystem eine emissionsarme und stabile Verbrennungsführung erreichen.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Brennstoffzufuhr zumindest eine Brennstoffdüse mit der Brennstoff-Zufuhröffnung umfasst, die einer Zufuhrdüse zur Bildung einer Oxidator-/Brennstoffdüsenanordnung zugeordnet ist, wobei die Brennstoffzufuhröffnung entlang einer Mittellängsachse der Zufuhrdüse, insbesondere in den Bereich der Querschnittsverengung, in die Zufuhrdüse hinein verstellbar ist. Vorzugsweise sind dabei in dem Brennerkopf mehrere solcher Oxidator-/Brennstoffdüsenanordnungen, z. B. zu jeder oder jeder zweiten Zufuhrdüse, vorhanden. Vorzugsweise stehen dann die mehreren Anordnungen in einer Symmetrie (bei Anordnung als Ring z. B. in einer Achsensymmetrie) zueinander. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt einen gleichmäßigen, symmetrischen Verbrennungsprozess mit den Vorteilen einer stabilen und emissionsarmen Verbrennung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsvariante umfasst der bewegliche Teil einen eine bewegliche Leitfläche bildenden Teil der Leitflächenanordnung und der festgelegte Teil einen eine festgelegte Leitfläche bildenden Teil der Leitflächenanordnung, die in dem Zufuhrbereich einander gegenüberliegend und zumindest in einem Abschnitt sich aneinander annähernd zur Bildung einer Querschnittsverengung angeordnet sind, wobei sich bei Verstellung der beweglichen Leitfläche der Abstand zu der festgelegten Leitfläche verändert. Die jeweiligen Leitflächen dienen zur Führung des Oxidators und sind entsprechend entlang der Strömungsrichtung ausgerichtet. Zur Verringerung des Strömungsquerschnitts erfolgt eine Verstellung derart, dass sich der Abstand zwischen den beiden Leitflächen verringert, und umgekehrt, bspw. durch eine axiale Verschiebung des beweglichen Teils. Auf diese Weise lassen sich vorteilhaft bereits vorhandene Bestandteile des Brennerkopfes als beweglicher Teil nutzen, sodass vorteilhaft auf zusätzliche, gesonderte Teile hierfür zumindest weitgehend verzichtet werden kann.
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Dabei sind in einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante die festgelegte und die bewegliche Leitfläche um eine Längsachse des Brennerkopfes umlaufend angeordnet, wobei die bewegliche Leitfläche innenliegend der festgelegten Leitfläche angeordnet ist und wobei die Leitflächen mit ihren stromabseitigen Enden in der Brennerstirnwand münden und dort gemeinsam die mindestens eine Zufuhröffnung umfassen bzw. umgrenzen. Durch diese Anordnung wird eine ringförmige Anordnung der zumindest einen Zufuhröffnung in der Brennerstirnwand erreicht. Im Bereich der Zufuhröffnung können die Leitflächen berührungslos einander gegenüberliegen, wodurch eine zusammenhängende, ringartige Zufuhröffnung gebildet wird, wie in der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2017 118 166 angegeben. Zumindest eine der Leitflächen kann aber auch eine Welligkeit, zumindest im Bereich der Zufuhröffnungen, aufweisen, wie in der ebenfalls nicht vorveröffentlichten
DE 10 2017 118 165 der Anmelderin beschrieben, derart, dass sich die Leitflächen im Bereich der Zufuhröffnungen berühren. So entstehen mehrere, voneinander separierte, düsenartige Zufuhröffnungen, die in Art eines Düsenrings angeordnet sind. Der bewegliche Teil der Leitflächenanordnung kann auf der der Leitfläche abgewandten Seite zugleich einen Teil der Brennerstirnwand bilden, der innerhalb der Ringanordnung gelegen ist. Durch diese Ausgestaltungsvariante lässt sich mit vergleichsweise geringem Fertigungsaufwand ein Brennerkopf gestalten, der einen emissionsarmen Betrieb erlaubt.
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Eine vorteilhafte Einstellbarkeit mit einer Anpassbarkeit der Austrittsgeschwindigkeit ist dadurch erreichbar, dass der Abschnitt, in dem der Abstand zwischen den Leitflächen bei Verstellung veränderbar ist, die Zufuhröffnung/en umfasst. So kann auch bei veränderten, insbesondere z.B. im Teillastbereich verringerten Volumenströmen durch eine Verkleinerung der Zufuhröffnung/en die Austrittsgeschwindigkeit im Wesentlichen auf dem Niveau des Auslegungsbetriebspunkts gehalten werden. Dadurch können vorteilhafte Betriebsparameter der Verbrennung, wie z. B. die Rezirkulationsrate, weitgehend erhalten bleiben, wodurch eine stabile und emissionsarme Verbrennungsführung z. B. auch im Teillastbereich erreichbar ist.
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Vorzugsweise ist der Verstelleinrichtung eine Führung zugeordnet, die derart ausgebildet ist, dass sie bei Verstellung des beweglichen Teils gegenüber dem festgelegten Teil eine Verstellrichtung, insbesondere in axialer Richtung (in Richtung der Längsachse) vorgibt. Die Führung kann bspw. in Zusammenwirken mit dem festgelegten Teil erfolgen, wobei z.B. ein Stutzen des beweglichen Teils, bspw. in stromabseitiger Verlängerung der Brennstoffzufuhr, in einem komplementären Hohlraum des festgelegten Teils, bspw. in stromaufseitiger Verlängerung der Brennerstirnwand und/oder der Leitflächenanordnung, läuft. Vorzugsweise ist die Führung in Art eines Liniearlagers mit einem Freiheitsgrad in axialer Richtung ausgebildet, so dass die tangentiale und radiale Position des beweglichen Teils festgelegt und somit nicht veränderbar ist. Auf diese Weise lässt sich die Verstelleinrichtung einfach und gut bedienbar gestalten.
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Vorzugsweise weist die Verstelleinrichtung eine Verstellanordnung und eine Rückstellanordnung auf, die jeweils die Verstellkraft für ein Verstellen aus der und ein entsprechendes Rückstellen in die Grundposition aufbringen. Dadurch wird ein definiertes Verstellen innerhalb eines vorgesehenen Verstellbereiches ermöglicht.
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Vorzugsweise weist die Verstell- und/oder die Rückstellanordnung ein Federelement, eine Hydraulikanordnung, eine Pneumatikanordnung oder eine elektrisch verstellbare Anordnung, z. B. einen Elektrozylinder, auf. Bei einer Mikrogasturbinenanordnung kann die Pneumatikanordnung vorteilhafterweise mit Druckluft aus dem Verdichter versorgt werden, wenn das Druckniveau ausreichend hoch ist. Bei dem Federelement kann es sich bspw. um eine Spiralfeder handeln, die einen langen Verstellweg ermöglichen kann. Möglich sind auch Kombinationen aus unterschiedlichen Ausgestaltungsvarianten von Verstell- bzw. Rückstellanorndungen. So kann bspw. eine Zugfeder angeordnet in einem Hohlraum als Verstellanordnung dienen und eine Hydraulik- oder Pneumatikanordnung als Rückstellanordnung. Auch könnte eine Druckfeder als Rückstellanordnung dienen, oder eine elektrisch verstellbare Anordnung wie ein Elektrozylinder als Verstell- und/oder Rückstellanordnung. Derartige Anordnungen erlauben eine einfache und definierte Verstellung des beweglichen Teils.
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Eine besonders kompakte Ausgestaltungsvariante ergibt sich, wenn der festgelegte Teil und der bewegliche Teil lösbar oder unlösbar (d. h. nicht zerstörungsfrei lösbar) an der und/oder über die Verstelleinrichtung miteinander verbunden sind, wobei zumindest ein Teil der Verstelleinrichtung, z. B. zumindest ein Teil der Verstell- und/oder der Rückstellanordnung und/oder der Führung, zwischen dem beweglichen und dem festgelegten Teil angeordnet ist. Bei einer lösbaren Verbindung ist der festgelegte Teil des Brennerkopfes bspw. an der Brennkammer oder einem anderen gegenüber der Brennkammer festen Teil der technischen Anwendung unbeweglich gelagert. Der bewegliche Teil wird bspw. axial beweglich gegenüber dem festgelegten Teil geführt und erhält z. B. durch den festgelegten Teil seine radiale und tangentiale Positionierung. Die lose Verbindung kann bspw. durch eine gesteckte und axial bewegliche Führung mit dazwischen angeordnetem losem Federelement zwischen dem festgelegten und dem beweglichen Teil und geeignetem Arretiermittel bestehen. Bei einer unlösbaren Verbindung kann bspw. eine an beiden Teilen unlösbar befestigte Zugfeder vorhanden sein. Dabei kann der festgelegte Teil des Brennerkopfes bspw. lose an der Brennkammer angelegt sein, die lediglich axial als Widerlager dient. Bezüglich der tangentialen und radialen Position kann der festgelegte Teil von dem - axial - beweglichen Teil gehalten werden. Die axiale Grundposition kann bspw. über eine Hydraulik- oder Pneumatikanordnung in Wirkung gegenüber der Zugfeder eingenommen werden. Bei Reduktion des Drucks der Luft bzw. des Hydrauliköls wird die Feder entspannt und die Verstelleinrichtung übt entsprechend eine axiale Verstellung aus.
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Eine besonders einfach herzustellende und zu montierende Ausgestaltungsvariante ergibt sich, wenn die Verstelleinrichtung, insbesondere die Verstell- und/oder die Rückstellanordnung und/oder die Führung, zumindest teilweise eine stromaufseitige Verlängerung der Brennerstirnwand und einen stromabseitigen Fortsatz der Brennstoffleitung der Brennstoffzufuhr umfasst. Bei der Führung können bspw. der Fortsatz und ein komplementärer Hohlraum in der Verlängerung der Stirnwand als eine Art Liniearlager mit einem axialen Freiheitsgrad zusammenwirken. Der Fortsatz kann zugleich als Kraftübertragungsteil auf ein bzw. von einem gegebenenfalls, z. B. in dem Hohlraum, vorhandenen Federelement wirken.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsvariante sind die Verstell- und/oder die Rückstellanordnung der Verstelleinrichtung derart angeordnet, dass sie bei Einbau des Brennerkopfes in eine technische Anwendung, z. B. eine Mikrogasturbinenanordnung, außerhalb eines vorhandenen Heißbereiches und/oder Druckgehäuses gelegen ist/sind. Insbesondere bei heißen Umgebungs- bzw. Brennereintrittstemperaturen, wie sie z. B. bei rekuperierten Mikrogasturbinen (z. B. 620 - 730 °C) vorliegen, kann eine derartige Anordnung zur Verhinderung einer Temperaturüberlastung der Verstelleinrichtung vorteilhaft sein. Dabei ist zweckmäßigerweise ein Element zur Kraftübertragung, bspw. ein länglicher Stab, an dem Brennerkopf vorhanden. Dieser kann bei entsprechender Ausbildung z. B. durch einen Teil der Brennstoffzufuhr, wie z. B. die Brennstoffzuleitung, oder eine Verlängerung der Brennerstirnwand gebildet werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung durch ein Brennersystem mit einem einteilig ausgebildeten Brennerkopf gemäß einem nicht vorveröffentlichten Stand der Technik ( DE 10 2016 118 633 ) in perspektivischer Ansicht,
- 2 eine Schnittdarstellung durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Brennerkopfes mit einem beweglichen Teil und einem festgelegten Teil in seitlicher Ansicht,
- 3 eine Schnittdarstellung durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Brennerkopfes mit einer gegenüber 2 abgewandelten Verstelleinrichtung,
- 4 eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Brennerkopfes in Ansicht von vorne,
- 5 eine seitliche Schnittansicht der Ausführungsvariante gemäß 4,
- 6 eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Brennerkopfes in Ansicht von vorne und
- 7 eine seitliche Schnittansicht der Ausführungsvariante gemäß 6.
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1 zeigt als Stand der Technik in einer Schnittdarstellung ein Brennersystem 1 mit einem einteiligen Brennerkopf 20 und einer Brennkammer 10, die einen mit einer Umfangswandung 12 umgebenen Brennraum 11 umfasst. Das Brennersystem 1 mit dem Brennerkopf 20 erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer Längsachse L, die in der gezeigten Ausführung ebenfalls die Symmetrieachse darstellt. Der Brennerkopf 20 weist für die Zufuhr von zu verbrennenden Frischgasen in die Brennkammer 10, d.h. Oxidator (i. d. R. Luft) und Brennstoff, Zufuhrdüsen 35 mit Zufuhröffnungen 34 auf. Die Zufuhrdüsen 35 sind in einer Wandung 39, die eine eingangsseitige Brennerstirnwand 21 zur Angrenzung an die Brennkammer 10 bildet, befestigt und gleichmäßig umlaufend auf einem gedachten Ring angeordnet.
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Die Zufuhrdüsen 35 ragen je mit einem durch einen eingangsseitigen Zylinderabschnitt gebildeten stromaufseitigen Ende in ein Oxidatorplenum 37 hinein. Die Zufuhrdüsen 35 bilden so gemeinsam einen Zufuhrbereich 32 ausgehend von dem Oxidatorplenum 37. In dem Zufuhrbereich 32 wird der Oxidator jeweils über Leitflächen 30, die gemeinsam eine Leitflächenanordnung 3 bilden, der Zufuhrdüsen 35 zu den Zufuhröffnungen 34 geführt. Stromab des eingangsseitigen Zylinderabschnitts befindet sich eine Querschnittsverengung 33, hier ausgebildet als konischer axialer Bereich, zur Bildung einer Beschleunigungsstrecke. Am stromabseitigen, in die Brennkammer 10 hineinragenden Ende befindet sich jeweils eine der Zufuhröffnungen 34. Der in die Brennkammer 10 ragende Abschnitt ist ebenfalls zylinderförmig ausgebildet, kann aber auch eine andere Form aufweisen. Die Zufuhrdüsen 35 erstrecken sich entlang von Mittellängsachsen M, die parallel zur Längsachse L ausgerichtet sind. Dadurch ist eine drallfreie, axiale Zufuhr des Oxidator-/Brennstoffgemisches in die Brennkammer möglich.
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Vorliegend ist jeweils einer Zufuhrdüse 35 eine Brennstoffdüse 27 einer Brennstoffzufuhr 23 zur Bildung einer Oxidator-/Brennstoffdüsenanorndung 22 zugeordnet. Die Brennstoffdüsen 27 weisen an ihren stromabseitigen Enden eine Brennstoff-Zufuhröffnung 28 (vgl. 2) auf. In den Oxidator-/Brennstoffdüsenanordnungen 22 findet im Betrieb eine zumindest teilweise Vormischung von Oxidator und Brennstoff vor Zugabe in die Brennkammer 10 statt. Die Brennstoffdüsen 27 sind jeweils radial mittig der Zufuhrdüsen 35, auf der Mittellängsachse M gelegen, angeordnet. Vorliegend sind die Brennstoffdüsen 27 an den stromabseitigen Enden von Zweigleitungen 26 einer fingerartigen Leitungsanordnung der Brennstoffzufuhr 23 angeordnet, die von einem Verteilerbereich 25 am stromabseitigen Ende einer Brennstoffzuleitung 24 der Brennstoffzufuhr 23 ausgehen. Die Brennstoffzufuhr 23 kann jedoch auch anders als bei diesem Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein, z.B. mit Brennstoffdüsen 27 unmittelbar anschließend an ein Brennstoffplenum. Die Brennstoff-Zufuhröffnungen 28 liegen unmittelbar stromauf der Querschnittsverengung 33. Der Brennstoff kann so koaxial in den durch die Zufuhrdüsen 35 strömenden Oxidator gegeben werden, wobei unmittelbar stromab der Brennstoff-Zugabepositionen der Oxidator durch die Querschnittsverengungen 33 beschleunigt wird. Bis zu den Zufuhröffnungen 34 kann eine Teil-Vormischung von Brennstoff und Oxidator stattfinden.
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Die Brennerstirnwand 21 ist entgegen der Anströmrichtung in dem Oxidatorplenum 37 konisch verjüngt, um den Anströmverlust im Betrieb gegenüber einer flachen Ausführung zu verringern. Möglich ist auch eine andere Ausgestaltung Brennerstirnwand 21, z. B. flach in einer Ebene orthogonal zur Längsachse L angeordnet.
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Der Brennerkopf 20 ist zusammenhängend einteilig ausgeführt, wobei die Brennstoffzufuhr 23 und die Brennerstirnwand 21 mit den daran befestigten Zufuhrdüsen 35 im Betrieb unveränderlich zueinander positioniert sind. Die unveränderliche Positionierung ist vorliegend durch eine stromaufseitige Verlängerung 36 der Brennerstirnwand 21 ausgestaltet, die stromab des Verteilerbereichs 25 in die Brennstoffzuleitung 24 der Brennstoffzufuhr 23 übergeht.
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Die Umfangswandung 12 der Brennkammer 10 erstreckt sich längs um die Längsachse L. Im ausgangsseitigen Endbereich der Brennkammer 10 sind rundum in der Umfangswandung 12 verteilt Mischluftöffnungen 13 zum Zuführen von Mischluft in das verbrannte, aus der Brennkammer 10 strömende Abgas eingebracht. Stromab der Mischluftöffnungen 13 an der der Brennerstirnwand 21 gegenüberliegenden Seite der Brennkammer 10, ist eine ausgangsseitige Ausströmöffnung 14 zum Austritt der verbrannten Abgase aus der Brennkammer 10 vorgesehen. Stromab an die Ausströmöffnung 14 schließt sich ein (hier nicht dargestellter) Abgasbereich 15 an, der die verbrannten Abgase weiterleitet, bspw. in Richtung einer stromab angeschlossenen Turbine.
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Im Betrieb wird dem Brennersystem 1 Luft als Oxidator durch das Oxidatorplenum 37 zugegeben, die auch andere Bestandteile, z. B. extern rezirkuliertes Abgas oder Prozessgase, aufweisen könnte. Die Luft teilt sich gemäß einem bestimmten Verhältnis, das durch die unveränderliche Geometrie des Brennerkopfes 20 festgelegt ist, in einen Mischluftanteil und einen Brennluftanteil auf. Entscheidend für die Aufteilung der Luftströme sind die jeweiligen Druckverluste der weiteren Strömungswege der einzelnen Ströme. Durch die festgelegte Geometrie bleibt das Verhältnis für unterschiedliche Betriebspunkte im Wesentlichen konstant.
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Die Mischluft wird entlang der Brennerstirnwand 21 und der Außenseite der Umfangswandung 12 geleitet, wobei die Strömungsführung durch die konische Verjüngung der Brennerstirnwand 21 widerstandsarm gestaltet ist. Die die Brennkammer 10 umströmende Mischluft kühlt die Brennerstirnwand 21 und die Umfangswandung 12 insbesondere konvektiv.
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Die restliche Luft gelangt als Brennluft in den Zufuhrbereich 32 mit den Zufuhrdüsen 35, wo Brennstoff koaxial zur Hauptströmungsrichtung der Brennluft unmittelbar stromauf der Querschnittsverengungen zugegeben wird. Über die durch die Querschnittsverengungen 33 gebildeten Beschleunigungsstrecken wird die Brennluft mit dem zugegebenen Brennstoff beschleunigt. Bis zu den Zufuhröffnungen 34 erfolgt eine teilweise Vermischung von Brennluft und Brennstoff. Dieses Gemisch wird nun der Brennkammer 10 zugeführt, entzündet sich dort und wird in der Verbrennungszone verbrannt. In dem Brennraum 11 bildet sich aufgrund der hohen Austrittsgeschwindigkeit aus den Zufuhröffnungen 34 von z. B. 30 m/s bis 150 m/s, insbesondere 40 bis 120 m/s, eine Rezirkulationsströmung mit einer zumindest teilweisen inneren Rezirkulation der verbrannten Abgase aus. Dadurch wird ein Teil der verbrannten Abgase wieder in einen Bereich stromauf der Verbrennungszone zurückgeführt und mischt sich in die noch unverbrannten Frischgase ein (in 1 durch Pfeile angedeutet). Auf diese Weise wird die Verbrennungstemperatur reduziert, was die Bildung von Schadstoffen, insbesondere NOx, vermindert. Die radial verhältnismäßig weit außen angeordneten Zufuhröffnungen 34, etwa im äußeren Drittel des Radius der inneren Brennkammerquerschnittsfläche, begünstigen dabei eine im Wesentlichen nach innen gerichtete Rezirkulation, sodass die zurückströmenden Abgase in einer inneren Rezirkulationszone, umgeben von der ringförmigen Verbrennungszone, zurückströmen, d.h. näher an der Längsachse L vorbei als die verbrennenden Gase. Durch die im Wesentlichen innere Rezirkulation wird eine kompakte Strömungsführung erreicht, wodurch wiederum die Brennkammer 10 insbesondere bezüglich ihrer Länge kompakt ausgelegt werden kann. Die Verbrennung wird vorzugsweise mit Oxidatorüberschuss bei Luftzahlen von z. B. 1,2 bis 3,2, je nach Betriebsbedingungen (z.B. Vorwärmtemperatur und/oder Brennstoff), betrieben, was einen emissionsarmen und stabilen Betrieb ergibt. Wird das Oxidator-/Brennstoffverhältnis, wie z. B. im Teillastbetrieb einer Mikrogasturbinenanordnung, zu höheren Luftzahlen hin verschoben, kann dies zu Instabilitäten und höheren Emissionen aufgrund unvollständiger Verbrennung führen.
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2 zeigt in seitlicher Schnittansicht einen Teil eines erfindungsgemäßen Brennerkopfes 20. Der Brennerkopf 20 entspricht in seiner Gestalt weitgehend dem Brennerkopf 20 aus 1 und ist in einem Brennersystem 1 prinzipiell mit entsprechender Verbrennungsführung wie in 1 einsetzbar. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Brennerkopf 20 nicht einteilig ausgebildet ist, sondern einen beweglichen Teil 58 aufweist, der gegenüber einem festgelegten Teil 57 des Brennerkopfes 20 auch während des Betriebs mittels einer Verstelleinrichtung 50 verstellbar ist. In einer Grundposition weist der Brennerkopf 20 eine Ausgangsgeometrie z.B. entsprechend dem Brennerkopf 20 gemäß 1 auf.
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Der bewegliche Teil 58 umfasst hierbei die Brennstoffzufuhr 23 mit der Brennstoffzuleitung 24 und den Brennstoffdüsen 27, und entsprechend der vorliegenden Ausgestaltungsvariante weiterhin den Verteilerbereich 25 und die Zweigleitungen 26. Der festgelegte Teil 57 umfasst die Zufuhrdüsen 35 und damit den Zufuhrbereich 32 mit der Leitflächenanordnung 3 (wobei in 2 lediglich eine der Leitflächen 30 der Leiflächenanordnung dargestellt ist), sowie die Brennerstirnwand 21, in der die Zufuhrdüsen 35 befestigt sind.
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Die in 2 teilweise dargestellte Verstelleinrichtung 50 umfasst eine Verstellanordnung 56, die in 2 nicht dargestellt ist, da sie vorliegend außerhalb des dargestellten Brennerkopfbereiches, z. B. außerhalb des Druckbereiches einer Mikrogasturbinenanordnung, angeordnet ist. Die Verstellanordnung 56 bringt die entsprechende Verstellkraft zur Verstellung der Brennstoffzufuhr 23 aus der Grundposition auf, die bspw. der Position der Brennstoffzufuhr 23 relativ zu den Zufuhrdüsen 35 gemäß 1 entspricht, in eine relativ zu dieser verstellte Position. Die Verstelleinrichtung 50 umfasst weiterhin eine Rückstellanordnung 52, die vorliegend ein Federelement 53, genauer eine Druckfeder, umfasst, die in einem Hohlraum 54 der Verlängerung 36 der Brennerstirnwand 21 angeordnet ist.
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Der Verstelleinrichtung 50 ist weiterhin eine Führung des beweglichen Teils, hier der Brennstoffzufuhr 23 zugeordnet, mittels derer die Brennstoffzufuhr 23 gegenüber dem festgelegten Teil definiert, hier in axialer Richtung, verstellbar ist. Die Führung umfasst vorliegend einen Fortsatz 51, der stromab des Verteilerbereiches 25 angeordnet ist und in den Hohlraum 54 hineinragt. Der Fortsatz 51 und der Hohlraum 53 sind derart komplementär zueinander, dass die Führung eine Bewegung des beweglichen Teils mit einem Freiheitsgrad erlaubt, vorliegend in axialer Richtung. In radiale und tangentiale Richtung legt die Führung die Brennstoffzufuhr 23 fest, wodurch in diesen Richtungen auch bei Verstellung eine definierte Positionierung der Brennstoffdüsen 27, hier koaxial zu den Zufuhrdüsen 35, gewährleistet werden kann. Dies ist wichtig für eine möglichst symmetrische Einmischung des Brennstoffes in den Oxidator, was für eine gleichmäßige und emissionsarme Verbrennung essenziell ist. Die Festlegung in tangentialer Richtung kann bspw. dadurch erfolgen, dass der Hohlraum 53 und der Fortsatz 51 zueinander komplementär mehrkantig ausgebildet sind. Die Führung kann alternativ oder zusätzlich an anderer Stelle innerhalb oder außerhalb des Brennerkopfes 20 angeordnet sein, z. B. auch innerhalb der Zufuhrdüsen 35.
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In 2 ist der bewegliche Teil 58 lösbar mit dem festgelegten Teil über die Verstelleinrichtung verbunden. Dabei ist zumindest ein Teil der Verstelleinrichtung 50, hier die Rückstellanordnung 52 mit dem Federelement 53 und dem Hohlraum 54, sowie der Fortsatz der Führung zwischen dem beweglichen und dem festgelegten Teil angeordnet. Der festgelegte Teil 57 ist vorzugsweise fest mit der Brennkammer 10 verbunden und dadurch befestigt.
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Im Betrieb steht der bewegliche Teil 58 an einem definierten Betriebspunkt, vorzugsweise bei Volllast, in der Grundposition zu dem unbeweglichen festgelegten Teil 57. Der Oxidator strömt in einem definierten Auslegungsverhältnis zu einem Teil durch die Zufuhrdüsen 35, zum anderen Teil als Mischluft an der Brennkammer 20 vorbei, die stromab der Verbrennungszone zugeführt wird. Wird nun der Betriebspunkt geändert, wird zum Erhalt einer stabilen und emissionsarmen Verbrennung ein verhältnismäßig kleinerer Anteil von Oxidator zu Mischluft benötigt. Dazu wird die Brennstoffzufuhr 23, d. h. im vorliegenden Fall der bewegliche Teil 58, durch die Verstellanordnung 56 axial in eine Verstellrichtung x derart verstellt, dass die Brennstoff-Zufuhröffnung 28 und dadurch die Brennstoffdüse 27 und, je nach Verstellweg, ein Teil der Zweigleitung 26 in den Bereich der Querschnittsverengung 33 hinein verschoben werden. Innerhalb der Querschnittsverengung 33 reduziert sich der Querschnitt der Zufuhrdüsen 35 kontinuierlich von einem Querschnitt gebildet aus einem Durchmesser d1 auf einen Querschnitt mit einem Durchmesser d2. Durch die Verschiebung verändert sich der Strömungsquerschnitt in der Querschnittsverengung 33 und damit in dem Zufuhrbereich 32, definiert je nach Verstellweg. Dadurch erhöht sich der Druckverlust in dem Strömungsweg des Oxidators. Dies bewirkt, dass ein geringerer Anteil des Gesamtstroms als Oxidator in die Brennkammer 10 gelangt, dagegen ein größerer als Mischluftstrom. Dadurch reduziert sich das Verhältnis von Oxidator zu Mischluft. Der Oxidator bzw. Brennluftstrom wird gegenüber einem Teillastbetrieb mit unveränderter Brennkammergeometrie reduziert und die Verbrennung kann dadurch stabilisiert werden, was einer emissionsarmen Verbrennung zuträglich ist. Das Maß der Reduktion ist von dem Verstellweg abhängig, durch den der versperrte Flächenanteil in einem gewissen Maß variabel ist.
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3 zeigt eine ähnliche Ausführungsvariante wie 2, wobei die Verstelleinrichtung 50 variiert ist. Die Verstelleinrichtung 50 umfasst dabei in der Verstellanordnung 56 das Federelement 53. Die Rückstellanordnung 52 umfasst den Hohlraum 54, der bei diesem Ausführungsbeispiel mit einem Kanal 55 in Strömungsverbindung steht und einer Hydraulik- oder Pneumatikanordnung zugehörig ist. Der Kanal 55 ist in einer Art Rohr-in-Rohr-Anordnung durch die Brennstoffzuleitung 24 nach außen geführt und an eine Mediumsversorgung angeschlossen. Das Federelement 53 ist als Zugfeder ausgebildet. In der Grundposition steht die Zugfeder gestreckt auf Spannung, wobei die Spannkraft durch das Kräftegleichgewicht in Zusammenwirken mit der Hydraulik- bzw. Pneumatikanordnung aufrechterhalten wird. Bei Verstellung aus der Grundposition wird die Haltekraft der Pneumatik- bzw. Hydraulikanordnung verringert und die Zugfeder verstellt die Brennstoffzufuhr 23 in den Bereich der Querschnittsverengung 33 hinein.
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4 zeigt eine andere Ausgestaltungsvariante des Brennerkopfes
20 aus Blickrichtung der hier nicht gezeigten Brennkammer
10 auf die Brennerstirnwand
21, die sich bei Montage anliegend an einer Eingrenzung
38 aus der Bildebene hinaus erstreckt. Ein Brennerkopf mit derartiger - dort jedoch festgelegter - Geometrie ist in der
DE 10 2017 118 166 der Anmelderin angegeben. Bei dieser Ausgestaltungsvariante ist die Zufuhröffnung
34 durch einen umlaufenden Ringspalt mit einer radialen Höhe h (vgl.
5) gebildet. Wie
5 zeigt, ist der Ringspalt von zwei stromauf der Zufuhröffnung
34 in den Zufuhrbereich
32 hinein verlaufenden Leitflächen
30,
31 der Leitflächenanordnung
3 umfasst, die radial umlaufend um die Längsachse
L angeordnet sind. Die Leitfläche
31, nachfolgend als „innere Leitfläche“ bezeichnet, ist bezüglich des radialen Abstandes von der Längsachse
L innenliegend der anderen, äußeren Leitfläche
30 angeordnet. So liegen die Leitflächen
30,
31 in dem Zufuhrbereich
32 einander gegenüber und umgrenzen diesen. Sie verlaufen derart, dass sich der Abstand zueinander ausgehend von dem Oxidatorplenum
37 in Richtung der Zufuhröffnung
34 mit einem sich verringernden Strömungsquerschnitt verkleinert, wobei die Zufuhröffnung
34 den kleinsten Strömungsquerschnitt aufweist. Dabei verläuft die innere Leitfläche
31 in Strömungsrichtung konisch axial-radial nach außen, wobei sie auf der der Brennkammer
10 abgewandten Seite der, hier entsprechend geformten, Brennerstirnwand
21 angeordnet ist, genauer deren Teil, der innerhalb der Zufuhröffnung
34 liegt. Die äußere Leitfläche
30 verläuft axial zunächst im Wesentlichen z.B. radial konstant und dann ebenfalls axial-radial nach außen, jedoch in einem kleineren Winkel als die innere Leitfläche
31, zur Verkleinerung des Strömungsquerschnitts. Durch diese Ausgestaltung des Zufuhrbereichs
32 wird im Betrieb die Strömung axial-radial nach außen gerichtet in die Brennkammer
10 eingebracht, was eine innere Rezirkulation und damit eine kürzere Flammenlänge begünstigt.
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Der Brennstoff wird bei dieser Ausführung über die Brennstoffzufuhr 23 über Brennstoffdüsen 27 zugegeben, deren Brennstoff-Zufuhröffnungen 28 zu Beginn des Zufuhrbereichs 32 in die Oxidatorströmung münden. Die Brennstoffdüsen 27 sind dabei radial um die Längsachse L angeordnet und weisen einen geringeren radialen Abstand von der Längsachse L auf als die Zufuhröffnung 34.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 und 5 umfasst der bewegliche Teil 58 des Brennerkopfes 20 die innere, damit bewegliche, Leitfläche 31 der Leitflächenanordnung 3 sowie entsprechend den Bereich der Brennerstirnwand 21, der von der ringförmigen Zufuhröffnung 34 umgeben ist. Der festgelegte Teil 57 umfasst die äußere, damit festgelegte, Leitfläche 30 sowie die Brennstoffzufuhr 23, wobei diese auch dem beweglichen Teil zugeordnet sein könnte. Bei Verstellung des beweglichen Teils 58, hier der Brennerstirnwand 21 mit der inneren Leitfläche 31, wird die Brennerstirnwand 21 axial entgegen der Strömungsrichtung bewegt. Durch die Verstellung verändert, genauer verringert sich der Abstand der beiden Leitflächen 30, 31 zueinander, wobei sich insbesondere auch die Höhe h der Zufuhröffnung 34 verringert. Damit verringert sich der Strömungsquerschnitt im Bereich der Zufuhröffnung 34. Neben der bereits beschriebenen möglichen Änderung eines Verhältnisses erlaubt dies bei einem festgelegten Massenstrom, beispielsweise bei lediglich einem Luftstrom, eine Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit aus der Zufuhröffnung 34 in die Brennkammer 10. Dies wiederum ermöglicht die Beeinflussung der Verbrennungsführung, insbesondere der Mischung und/oder Rezirkulation innerhalb der Brennkammer 10. So kann z. B. bei einem Industriebrenner, bei dem lediglich ein Oxidatorstrom vorliegt, bei Reduktion des Lastbereiches bei gleich bleibendem Druck eine Verringerung der Geschwindigkeit in die Brennkammer 10 durch eine derartige Verstellung des beweglichen Teils 58 ausgeglichen werden.
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Die Verstelleinrichtung 50 ist hier ähnlich ausgebildet wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3, nämlich mit einer Pneumatik- bzw. Hydraulikanordnung mit einem hier schematisch angedeuteten Kanal 55 und einem Federelement 53. Das Federelement 53 ist als Zugfeder ausgebildet. Die Brennstoffzufuhr 23 ist hier, anders als in den vorangehenden Ausführungsbeispielen, dem festgelegten Teil 57 zugeordnet. In der Grundposition steht die Hydraulik- bzw. Pneumatikanordnung mit dem Federelement 53 in einem Kräftegleichgewicht. Bei Verstellung wird die Kraft in der Hydraulik- bzw. Pneumatikanordnung reduziert, wodurch durch die Zugfeder der bewegliche Teil 58 mit der inneren Leitfläche 31 entgegen der Strömungsrichtung bewegt wird. Möglich wäre aufgrund der berührungslosen und rotationssymmetrischen Ausbildung des Zufuhrbereiches 34 auch eine Schraubbewegung zur Verstellung, insbesondere, wenn die Brennstoffzufuhr 23 ebenfalls dem beweglichen Teil 58 zugeordnet wäre. Dann könnte der bewegliche Teil 58 z.B. über ein außerhalb an der Brennstoffzuleitung 24 vorhandenes Gewinde zur Verbindung mit einem unbeweglichen, z. B. dem festgelegten Teil 57, z.B. über eine elektronische Antriebseinheit, durch Ein- oder Ausdrehen verstellt werden.
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In
6 und
7 ist eine ähnliche Ausgestaltungsvariante wie in
4 und
5 dargestellt, wie sie in der
DE 10 2017 118 165 der Anmelderin - dort jedoch mit festgelegter Geometrie - beschrieben ist. Im Unterschied zu der Ausgestaltungsvariante gemäß
4 und
5 weist hier die innere Leitfläche
31 eine Welligkeit im Bereich der Zufuhröffnungen
34 auf, derart, dass sich die Leitflächen
30,
31 im Bereich der Zufuhröffnungen
34 berühren. So entstehen mehrere, voneinander separierte, düsenartige Zufuhröffnungen
34, die in Art eines Düsenrings angeordnet sind. Entgegen der Strömungsrichtung in den Zufuhrbereich
32 hinein nimmt vorzugsweise die Welligkeit kontinuierlich ab.
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Die Brennstoffzufuhr 23 in 7 ist unterschiedlich zu der in 5 gezeigten Ausgestaltungsvariante ausgebildet. Hier ist der Brennstoff bis zu den Brennstoff-Zufuhröffnungen 28 von einem Brennstoffleitblech 29 umgeben, das eine in Hauptströmungsrichtung verlaufende, zunehmende Welligkeit aufweist. Die Kanäle, die in die Brennstoff-Zufuhröffnungen 28 münden, sind in dem Brennstoffleitblech 29 integriert und verlaufen in axial-radialer Richtung nach außen (angedeutet in 7). Stromauf gegen die Anströmrichtung des Oxidators ist das Brennstoffleitblech 29 konisch verjüngt. Die Welligkeit sowie die zusätzliche radiale Komponente bei Zugabe des Brennstoffes begünstigen die Einmischung des Brennstoffes in den Oxidator. Möglich wäre aber auch eine andere Brennstoffzufuhr 23, z. B. gemäß 5.
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Ähnlich der Ausgestaltungsvariante gemäß
4 und
5 bildet der Teil der Brennerstirnwand
21 innerhalb der düsenringartig angeordneten Zufuhröffnungen
34 den beweglichen Teil
58 des Brennerkopfes
20. Bei Verstellung wird er entgegen der Strömungsrichtung bewegt, wobei sich die Erhebungen der Welligkeit in eine dafür vorgesehene Nut
40 hinein bewegen. Dadurch nähern sich die beiden Leitflächen
30,
31 wiederum in einem Abschnitt des Zufuhrbereichs
32 an, wodurch der Druckverlust durch Verringerung des Strömungsquerschnitts erhöht wird. Mit entsprechenden Anpassungen, wie hier neben der Verstelleinrichtung
50 die Nut
40, können auch andere, z. B. in der
DE 10 2017 118 165 gezeigte, Brennerköpfe
20 mit einem beweglichen Teil
58 zur Verstellbarkeit der Geometrie ausgebildet werden.
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Wie die - nicht einschränkenden - Ausführungsbeispiele zeigen, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, die Verstellanordnung 56 und die Rückstellanordnung 52, auszubilden und miteinander wirksam zu kombinieren. Je nach Ausgestaltung kann die Verstellanordnung 56 und/oder die Rückstellanordnung 52 prinzipiell ein Federelement 53, einen Elektroantrieb (für eine elektrisch verstellbare Anordnung) und/oder eine Pneumatik- oder Hydraulikanordnung aufweisen, die in sinnvoller, kräftewirksam komplementärer Weise miteinander kombiniert werden können. Dabei können empfindliche Elemente der Verstelleinrichtung 50, wie bspw. ein Elektroantrieb, außerhalb des heißen Bereiches, in dem sie nicht von vorgewärmtem Oxidator umströmt werden, positioniert sein. Dies kann insbesondere auch außerhalb des Druckbereiches einer Mikrogasturbinenanordnung sein. Dabei können sich auch nur einzelne Elemente der Verstelleinrichtung 50 oder auch die gesamte Trennung zwischen dem beweglichen Teil 58 und dem festgelegten Teil 57 außerhalb des Heißbereiches und/oder des Druckbereiches befinden. Dies kann bspw. dadurch erreicht werden, dass die Verlängerung 36 aus dem Heißbereich und ggf. Druckbereich herausgeführt ist, z. B. koaxial durch die Brennstoffzuleitung 24 in einer Art Rohr-in-Rohr-Anordnung.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Brennerkopfes 20 mit dem beweglichen Teil 58 und dem festgelegten Teil 57 lassen sich auf einfache Weise für verschiedene Anwendungen vorteilhaft wirksame Geometrieänderungen in dem Brennerkopf 20 bewirken. Dies bringt vorteilhaft gute Anpassungsmöglichkeiten des Brennerkopfes 20, was bei den aktuell gewünschten hochflexiblen Brennersystemen 1 zur Einhaltung einer stabilen und emissionsarmen Verbrennung unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen beiträgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016118633 [0002, 0029]
- EP 1497589 B1 [0002]
- DE 102017118166 [0021, 0046]
- DE 102017118165 [0021, 0050, 0052]
