DE102021123513A1

DE102021123513A1 - Burner and method for its manufacture

Info

Publication number: DE102021123513A1
Application number: DE102021123513.8A
Authority: DE
Inventors: Bernhard COSIC; Frank Reiss; David KLUß; Philipp Fockenberg; Jaman El Masalme; Franklin Genin; Dominik WASSMER
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2023-03-16
Also published as: CN117916526A; WO2023036622A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem Brennraum (1), einer Vielzahl von Drallkanälen (2), wobei ein Drallkanal (2) mindestens eine Brennstoffdüse (3) zum Einleiten von Brennstoff (G) in den jeweilige Drallkanal (2) aufweist, und wobei sich die Drallkanäle (2) jeweils von einer Einströmseite (21), an welcher Brennstoff (G) von der jeweiligen Brennstoffdüse (3) in den Drallkanal (2) einleitbar ist, zu einer in den Brennraum (1) mündenden Ausströmseite (22) erstrecken und die Drallkanäle (2) jeweils entlang eines sich von der Einströmseite (21) zu der Ausströmseite (22) erstreckenden Strömungspfades (23) von einem Brennstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennstoff (G) und einer in den Drallkanal (2) einströmenden Luft (L) durchströmbar sind, wobei der Brenner eine durch den Brennraum (1) verlaufende Mittelachse (X) aufweist und die Drallkanäle (2) ausgehend von der Ausströmseite (22) zumindest abschnittsweise helixartig um die Mittelachse (X) gewunden sind, sodass das von der Einströmseite (21) entlang des Strömungspfades (23) zu der Ausströmseite (23) strömende Brennstoff-Luft-Gemisch durch die Drallkanäle (2) jeweils mit einem Drall beaufschlagt wird und drallbeaufschlagt in den Brennraum (1) einströmt.The invention relates to a burner with a combustion chamber (1), a large number of swirl ducts (2), with a swirl duct (2) having at least one fuel nozzle (3) for introducing fuel (G) into the respective swirl duct (2), and wherein the swirl ducts (2) each extend from an inflow side (21), on which fuel (G) can be introduced from the respective fuel nozzle (3) into the swirl duct (2), to an outflow side (22) opening into the combustion chamber (1). and the swirl ducts (2) each along a flow path (23) extending from the inflow side (21) to the outflow side (22) of a fuel-air mixture of the fuel (G) and air flowing into the swirl duct (2). (L) can be flowed through, the burner having a central axis (X) running through the combustion chamber (1) and the swirl ducts (2) starting from the outflow side (22) are wound at least in sections in a helical manner around the central axis (X), so that the the inflow te (21) along the flow path (23) to the outflow side (23) flowing fuel-air mixture through the swirl ducts (2) is each subjected to a swirl and swirled into the combustion chamber (1) flows.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für eine Turbine mit einer Vielzahl von gekrümmten Drallkanälen, durch welche ein die Drallkanäle durchströmendes Brennstoff-Luft-Gemisch mit Drall beaufschlagt wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Brenners.The invention relates to a burner for a turbine with a multiplicity of curved swirl ducts, through which a swirl is applied to a fuel-air mixture flowing through the swirl ducts, and to a method for producing such a burner.

Brenner, wie beispielsweise für Gasturbinen, nutzen als Brennstoff Gas, sodass in Brennern meist ein Gas-Luft-Gemisch bzw. allgemein ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird.Burners, such as for gas turbines, use gas as fuel, so that a gas-air mixture or generally a fuel-air mixture is usually burned in burners.

Grundsätzlich ist auch der Einsatz von Flüssigbrennstoffen in einem Brenner möglich.In principle, the use of liquid fuels in a burner is also possible.

Schadstoffarme Brenner mischen normalerweise Luft und Brennstoff vor der Verbrennung, um Temperaturspitzen und damit Schadstoffemissionen zu vermeiden.Low-emission burners typically mix air and fuel prior to combustion to avoid temperature spikes and consequent pollutant emissions.

Dazu werden im Stand der Technik in der Regel als Drallbrenner ausgebildete Brenner verwendet, die radiale oder axiale Drallgitter verwenden, um das Brennstoff-Luft-Gemisch mit Drall zu beaufschlagen.For this purpose, in the prior art, burners designed as swirl burners are generally used, which use radial or axial swirl cascades in order to apply swirl to the fuel/air mixture.

Bei hochreaktiven Brennstoffen, wie z.B. Wasserstoff, ist eine schadstoffarme Verbrennung schwierig, weil das Brennstoff-Luft-Gemisch so schnell brennt, dass die Flamme zurückschlägt. Daher werden solche Brennstoffe bzw. solche Gemische häufige ohne Vormischung verbrannt.In the case of highly reactive fuels such as hydrogen, low-emission combustion is difficult because the fuel-air mixture burns so quickly that the flame flashes back. Therefore, such fuels or such mixtures are often burned without premixing.

Vereinzelt kommen für die Verbrennung von hochreaktiven Brennstoffen auch als Strahlbrenner bekannte Brenner zum Einsatz. Bei solchen Strahlbrennern wird auf ein Drallgitter bzw. generell auf eine Drallbeaufschlagung des Gemisches verzichtet und die Flamme an Freistrahlen stabilisiert.Burners known as jet burners are also occasionally used for the combustion of highly reactive fuels. In jet burners of this type, there is no swirl grid or, in general, a swirl impingement on the mixture, and the flame is stabilized in free jets.

Dies hat Vorteile bei der Rückschlagfestigkeit, geht aber zu Lasten der Flammenstabilität und Emissionen. Die Luft strömt dabei durch einzelne vollständig gerade und parallel zueinander angeordnete Rohre und wird in den Rohren mit Brennstoff gemischt. Am Austritt des Brenners verbrennt der Brennstoff in vielen kleinen Strahlen. Der Strahlbrenner hat eine höhere Rückschlagfestigkeit, weil die gesamte Luft bzw. das Gemisch axial geführt wird.This has advantages in terms of flashback resistance, but at the expense of flame stability and emissions. The air flows through individual completely straight and parallel tubes and is mixed with fuel in the tubes. At the outlet of the burner, the fuel burns in many small jets. The jet burner has a higher resistance to blowback because all the air or the mixture is guided axially.

Außerdem sind die Aufenthaltszeiten gegenüber einem Drallbrenner kürzer und damit die NOx Emissionen bei sehr hohen Temperaturen geringer.In addition, the residence times are shorter compared to a swirl burner and thus the NOx emissions are lower at very high temperatures.

Der Drallbrenner hingegen bietet eine wesentlich bessere Stabilität und bessere Teillastemissionen. Auch sind die Mischstrecken bei Drallbrennern oft länger, was eine gute Mischung von Luft und Brennstoff ermöglicht.The swirl burner, on the other hand, offers significantly better stability and better part-load emissions. The mixing sections in swirl burners are also often longer, which enables good mixing of air and fuel.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und einen Brenner bereitzustellen, welcher sowohl eine hohe Rückschlagfestigkeit als auch eine gute Durchmischung von Luft und Brennstoff ermöglicht sowie zugleich ein stabiles Verbrennungsverhalten aufweist, sodass auch insbesondere Wasserstoff bzw. Wasserstoffgas als Brennstoff emissionsarm verbrennbar ist.The invention is therefore based on the object of overcoming the aforementioned disadvantages and providing a burner which enables both high flashback resistance and good mixing of air and fuel and at the same time has stable combustion behavior, so that hydrogen or hydrogen gas in particular as a fuel produces low emissions is combustible.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by the combination of features according to claim 1.

Erfindungsgemäß wird daher ein Brenner mit einem Brennraum, einer Vielzahl von Drallkanälen vorgeschlagen, wobei ein Drallkanal mindestens eine Brennstoffdüse zum Einleiten von Brennstoff in den jeweilige Drallkanal aufweist. Die Vielzahl von Drallkanäle bilden dabei insbesondere gemeinsam einen Drallerzeuger. Die Drallkanäle erstrecken sich jeweils von einer Einströmseite, an welcher Brennstoff von der jeweiligen Brennstoffdüse in den jeweiligen Drallkanal einleitbar ist, zu einer in den Brennraum mündenden Ausströmseite. Der Brennraum, welcher aus als Verbrennungszone bezeichnet werden kann, kann von einer Brennkammer umgeben sein bzw. begrenzt werden. Weiter bestimmt der Brennraum im Wesentlichen lediglich das Volumen, in welchem die Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches bzw. Gas-Luft-Gemisches stattfindet. Die Drallkanäle sind jeweils entlang eines sich von der jeweiligen Einströmseite zu der jeweiligen Ausströmseite erstreckenden Strömungspfades von dem Brennstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennstoff und einer in den Drallkanal einströmenden Luft durchströmbar.According to the invention, a burner with a combustion chamber and a large number of swirl ducts is therefore proposed, with a swirl duct having at least one fuel nozzle for introducing fuel into the respective swirl duct. In particular, the large number of swirl channels together form a swirl generator. The swirl ducts each extend from an inflow side, on which fuel can be introduced from the respective fuel nozzle into the respective swirl duct, to an outflow side opening into the combustion chamber. The combustion chamber, which can be referred to as a combustion zone, can be surrounded or delimited by a combustion chamber. Furthermore, the combustion chamber essentially only determines the volume in which the combustion of a fuel-air mixture or gas-air mixture takes place. The swirl ducts can each be flowed through by the fuel-air mixture of the fuel and air flowing into the swirl duct along a flow path extending from the respective inflow side to the respective outflow side.

In einem Brenner können ein Drallkanal, mehrere Drallkanäle oder alle Drallkanäle eine oder mehreren Brennstoffdüsen aufweisen.In a combustor, a swirl duct, multiple swirl ducts, or all of the swirl ducts may have one or more fuel nozzles.

Bei dem Brennstoff handelt es sich um Flüssigbrennstoff oder Gas. Bei dem Gas handelt es sich vorzugsweise um Wasserstoff bzw. Wasserstoffgas.The fuel is liquid fuel or gas. The gas is preferably hydrogen or hydrogen gas.

Der Brenner weist weiter eine durch den Brennraum verlaufende Mittelachse auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist wesentlich, dass die Drallkanäle ausgehend von der Ausströmseite zumindest abschnittsweise helixartig um die Mittelachse gewunden sind. Alternativ kann die zumindest abschnittweise helixartige Ausbildung der Drallkanäle dahingehend beschrieben werden, dass die Drallkanäle und/oder die durch die Drallkanäle bestimmten Strömungspfade jeweils zumindest abschnittsweise helixförmig oder als Helix ausgebildet sind. Die Drallkanäle können mithin auch als gekrümmte Drallkanäle bezeichnet werden. Ausgehend von der Einströmseite münden die Strömungskanäle bzw. die durch sie bestimmten Strömungspfade ausströmseitig verdreht bzw. gegenüber der Mittelachse verkippt in dem Brennraum. Daraus ergibt sich, dass das von der Einströmseite entlang des Strömungspfades zu der Ausströmseite strömende Brennstoff-Luft-Gemisch durch die Drallkanäle und genauer durch die helixartig gewundenen Abschnitte der Drallkanäle jeweils mit einem Drall beaufschlagt wird und drallbeaufschlagt in den Brennraum einströmt. Dabei strömt also vorzugsweise durch jeden einzelnen der Drallkanäle ein mit Drall beaufschlagtes Brennstoff-Luft-Gemisch ein.The burner further has a central axis running through the combustion chamber. According to the present invention, it is essential that the swirl channels, starting from the outflow side, are wound helically around the central axis at least in sections. Alternatively, the at least partially helix-like design of the swirl channels can be described such that the swirl channels and/or the flow paths determined by the swirl channels are each at least partially helically shaped or designed as a helix. The swirl channels can therefore also as curved swirl channels are called. Starting from the inflow side, the flow channels or the flow paths determined by them open outflow twisted or tilted relative to the central axis in the combustion chamber. The result is that the fuel-air mixture flowing from the inflow side along the flow path to the outflow side is subjected to a swirl through the swirl ducts and more precisely through the helically wound sections of the swirl ducts and flows into the combustion chamber with the swirl applied. In this case, a fuel-air mixture subjected to a swirl preferably flows in through each individual swirl channel.

Dabei werden durch die Drallkanäle ausströmseitig bzw. in dem Brennraum eine Vielzahl von Einzel- bzw. Freistrahlen erzeugt, welche jedoch durch den Drall bzw. Windung um die Mittelachse bereits drallbeaufschlagt sind.In this case, a large number of individual jets or free jets are generated by the swirl channels on the outflow side or in the combustion chamber, which, however, are already subjected to a swirling effect due to the swirl or winding around the central axis.

Durch ihre helixartige Windung um die Mittelachse weisen die Drallkanäle also jeweils eine Krümmung auf, welche der Luft bzw. dem Brennstoff-Luft-Gemisch, beim Durchströmen der Strömungskanäle eine Rotationskomponente aufgeprägt.As a result of their helical winding around the central axis, the swirl ducts each have a curvature which imparts a rotational component to the air or the fuel-air mixture as it flows through the flow ducts.

Am Austritt des Brenners bzw. beim Ausströmen des Brennstoff-Luft-Gemisches aus den Drallkanälen in den Brennraum ergibt sich damit ein dem Drallbrenner ähnliches Verbrennungsbild, bei dem ein sich aus den Freistrahlen ergebender Wirbel aufplatzt und die Flamme im Brennraum in den Scherschichten des Wirbels stabilisiert.At the outlet of the burner or when the fuel-air mixture flows out of the swirl ducts into the combustion chamber, there is a combustion pattern similar to that of the swirl burner, in which a vortex resulting from the free jets bursts and the flame in the combustion chamber is stabilized in the shear layers of the vortex .

Dadurch, dass der Brenner eine Vielzahl von Drallkanälen aufweist, welche in ihrer Gesamtheit auch als Drallerzeuger bezeichnet werden können, wird das Brennstoff-Luft-Gemisch dem Brennraum nicht durch eine einzelne Zuleitung zugeführt, sondern durch die Vielzahl von beispielsweise als Röhren ausgebildeten Drallkanälen, so dass der erfindungsgemäße Brenner eine ähnlich gute Rückschlagfestigkeit bzw. einen ähnlich guten Rückschlagwiderstand aufweist, wie die aus dem Stand der Technik bekannten Strahlbrenner, wobei durch die Drallbeaufschlagung weiterhin eine emissionsarme Verbrennung erfolgt.Due to the fact that the burner has a large number of swirl ducts, which in their entirety can also be referred to as swirl generators, the fuel-air mixture is not fed to the combustion chamber through a single feed line, but rather through the large number of swirl ducts designed as tubes, see above that the burner according to the invention has a similarly good flashback resistance or a similarly good flashback resistance as the jet burners known from the prior art, with low-emission combustion continuing to take place as a result of the swirl impingement.

Da einströmseitig der Brennstoff und vorzugsweise auch die Luft in die Drallkanäle eingeleitet wird, mischen sich Brennstoff und Luft entlang der Strömungspfade durch die Drallkanäle zu dem gewünschten Brenstoff-Luft-Gemisch.Since the fuel and preferably also the air is introduced into the swirl ducts on the inflow side, fuel and air mix along the flow paths through the swirl ducts to form the desired fuel-air mixture.

Durch das vorsehen einer Vielzahl von den Drallerzeuger bildenden Drallkanälen, welche jeweils zumindest abschnittweise helixartig ausgebildet sind, ist der Drallerzeuger als Mehrfach- bzw. Vielfach-Helix ausgebildet, welche eine Anzahl von Gängen entsprechend der Zahl von Drallkanälen aufweist. Die Gänge bzw. die Drallkanäle können zudem in Schichten bzw. einander überlagernder Ebenen vorgesehen sein, sodass beispielsweise eine innere Ebene von Drallkanälen von einer äußeren Ebene von Drallkanälen umgeben sein kann. Dabei können die Drallkanäle entweder links- oder rechtsgängig sein.By providing a large number of swirl channels forming the swirl generator, each of which is designed helically at least in sections, the swirl generator is designed as a multiple or multiple helix, which has a number of turns corresponding to the number of swirl channels. The gears or the swirl ducts can also be provided in layers or planes superimposed on one another, so that, for example, an inner plane of swirl ducts can be surrounded by an outer plane of swirl ducts. The swirl channels can either be left-handed or right-handed.

Eine vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Strömungspfade und/oder die Mittellinien der Drallkanäle in dem helixartig um die Mittelachse verlaufenden Abschnitt der Drallkanäle jeweils einen Gangwinkel größer 0° und kleiner 90°, insbesondere größer 60° und kleiner 90°, weiter insbesondere genau 60° aufweisen.An advantageous variant provides that the flow paths and/or the center lines of the swirl ducts in the section of the swirl ducts running helically around the central axis each have a pitch angle greater than 0° and less than 90°, in particular greater than 60° and less than 90°, more particularly exactly 60 ° have.

Der Gangwinkel der Drallkanäle bzw. der Strömungspfade und/oder Mittellinien der Drallkanäle ist entsprechend dem Gangwinkel einer Helix definiert.The pitch angle of the swirl channels or the flow paths and/or center lines of the swirl channels is defined according to the pitch angle of a helix.

Weiter weisen alle Strömungspfade und/oder Mittellinien vorzugsweise einen identischen Gangwinkel auf.Furthermore, all flow paths and/or center lines preferably have an identical lead angle.

Werden die Drallkanäle durch ein additives Fertigungsverfahren, wie beispielsweise ein selektives Laserschmelzen (SLM) hergestellt, kann die maximale und/oder minimale Steigung bzw. der Gangwinkel durch die technischen Beschränkungen des Herstellungsverfahrens begrenzt sein. Beispielsweise ist es zumindest zum Anmeldezeitpunkt nicht bzw. nur aufwändig möglich, Drallkanäle mit einem Gangwinkel kleiner 40° im SLM-Verfahren zu fertigen.If the swirl ducts are produced by an additive manufacturing process, such as selective laser melting (SLM), the maximum and/or minimum pitch or pitch angle may be limited by the technical limitations of the manufacturing process. For example, at least at the time the application was filed, it was not possible or only possible with great effort to manufacture swirl ducts with a lead angle of less than 40° using the SLM process.

Weiter sieht eine vorteilhafte Variante des Brenners vor, dass die Drallkanäle jeweils ausströmseitig den helixartig um die Mittelachse gewundenen Abschnitt und einströmseitig einen parallel zu der Mittelachse verlaufenden Abschnitt aufweisen. Dabei weisen die Drallkanäle jeweils einen Übergang zwischen dem helixartig gewundenen bzw. gekrümmten Abschnitt und dem parallel zu der Mittelachse verlaufenden, also geraden Abschnitt auf, welcher fließend ist, sodass also ein die Drallkanäle von dem geraden bzw. von dem zu der Mittelachse parallelem Abschnitt zu dem helixartig gewundenen bzw. gekrümmten Abschnitt durchströmendes Brennstoff-Luft-Gemisch entlang bzw. im Bereich des Übergangs kontinuierlich bzw. stetig und nicht plötzlich umgelenkt wird.Furthermore, an advantageous variant of the burner provides that the swirl ducts each have the section wound helically around the central axis on the outflow side and a section running parallel to the central axis on the inflow side. The swirl channels each have a transition between the helically wound or curved section and the section running parallel to the central axis, i.e. straight, which is fluid, so that the swirl channels move away from the straight section or from the section parallel to the central axis the fuel-air mixture flowing through the helically wound or curved section is deflected continuously or continuously and not suddenly along or in the region of the transition.

Weiter ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Drallkanäle jeweils einen ringförmigen Querschnitt aufweisen und als Drallrohre ausgebildet sind.Furthermore, it is preferably provided that the swirl channels each have an annular cross section and are designed as swirl tubes.

Vorteilhaft ist auch eine Variante, bei welcher sich die Brennstoffdüsen sich jeweils einströmseitig in den jeweiligen Drallkanal hineinerstrecken.Also advantageous is a variant in which the fuel nozzles each extend into the respective swirl channel on the inflow side.

Hierbei ist bei einer Ausführungsform weiter vorteilhaft vorgesehen, dass die Drallkanäle einströmseitig jeweils einen insbesondere trichterförmigen Einströmabschnitt aufweisen, in welchen sich die jeweilige Brennstoffdüse hineinerstreckt, wobei zwischen einer Außenfläche der jeweiligen Brennstoffdüse und einer Innenfläche des jeweiligen Drallkanals in seinem Einströmabschnitt ein im Querschnitt vorzugsweise ringförmiger Luftdurchlass bestimmt ist, durch welchen Luft in den jeweiligen Drallkanal einströmen kann.In one embodiment, it is further advantageously provided that the swirl ducts each have an inflow section, in particular a funnel-shaped one, on the inflow side, into which the respective fuel nozzle extends, with an air passage that is preferably annular in cross section between an outer surface of the respective fuel nozzle and an inner surface of the respective swirl duct in its inflow section is determined through which air can flow into the respective swirl channel.

Zudem können in den Drallkanälen und/oder an den Brennstoffdüsen insbesondere als Flügel ausgebildete Fluidleitelemente zur Strömungsoptimierung vorgesehen sein. Die Fluidleitelemente sind ausgebildet die Strömung eines an ihnen vorbeiströmenden Fluides in einer vorbestimmten Weise zu beeinflussen. Beispielsweise können Fluidleitelemente mit einem Tragflächenprofil an den Brennstoffdüsen im Bereich des Luftdurchlasses vorgesehen sein, welche die durch den Luftdurchlass strömende Luft in einer vorbestimmten Weise in den von den Brennstoffdüsen eingespritzten bzw. eingeleiteten Brennstoff lenken, um so die Durchmischung der Luft mit dem Brennstoff zu verbessern.In addition, fluid guide elements designed in particular as vanes can be provided in the swirl channels and/or on the fuel nozzles for flow optimization. The fluid guide elements are designed to influence the flow of a fluid flowing past them in a predetermined manner. For example, fluid guide elements with an airfoil profile can be provided on the fuel nozzles in the area of the air passage, which guide the air flowing through the air passage in a predetermined manner into the fuel injected or introduced by the fuel nozzles in order to improve the mixing of the air with the fuel .

Vorzugsweise erstrecken sich die Drallkanäle jeweils in einer vorbestimmten Ebene bzw. innerhalb der inneren und äußeren Mantelfläche eines Hohlzylinders. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass die Drallkanäle bzw. deren Mittellinien / Strömungspfade auf zumindest einer ringförmigen zu der Mittelachse koaxialen Bahn angeordnet sind. Entsprechend können auch mehrere jeweils ringförmige und zu der Mittelachse koaxiale Bahnen vorgesehen sein, wobei auf jeder der Bahnen jeweils mehrere Strömungspfade verlaufen.The swirl channels preferably each extend in a predetermined plane or within the inner and outer lateral surface of a hollow cylinder. Accordingly, it can be provided that the swirl channels or their center lines/flow paths are arranged on at least one ring-shaped path that is coaxial with the center axis. Correspondingly, a plurality of annular paths coaxial with the central axis can also be provided, with a plurality of flow paths running on each of the paths.

Um möglichst viele Drallkanäle vorsehen zu können, liegen die Drallkanäle der Vielzahl von Drallkanälen aneinander an. Folglich liegen unmittelbar zueinander benachbarte Drallkanäle beispielsweise mit den Außenflächen Ihrer Wandungen aneinander an.In order to be able to provide as many swirl channels as possible, the swirl channels of the multiplicity of swirl channels are in contact with one another. Consequently, swirl ducts that are directly adjacent to one another are in contact with one another, for example with the outer surfaces of their walls.

Insbesondere, wenn die Drallkanäle bzw. der durch sie gebildete Drallerzeuger durch ein additives Fertigungsverfahren gefertigt wird, kann weiter vorgesehen sein, dass die Drallkanäle nicht nur lediglich aneinander anliegen, sondern teils integral miteinander ausgebildet sind. Die Drallkanäle weisen jeweils eine den jeweiligen Drallkanal in Radialrichtung begrenzende Wandung auf. Hierbei ist dann vorgesehen, dass die Wandungen aneinander anliegender bzw. zueinander benachbarter Drallkanäle einteilig und/oder einstückig ausgebildet sind.In particular, if the swirl ducts or the swirl generator formed by them is manufactured using an additive manufacturing process, it can also be provided that the swirl ducts not only just abut one another, but are partially formed integrally with one another. The swirl ducts each have a wall delimiting the respective swirl duct in the radial direction. In this case, it is then provided that the walls of swirl ducts that abut one another or are adjacent to one another are designed in one piece and/or in one piece.

Zur Verbesserung der Durchmischung von Brennstoff und Luft kann weiter vorgesehen sein, dass die Brennstoffdüsen ausgebildet sind, den Brennstoff einströmseitig im Wesentlichen quer in den jeweiligen Drallkanal einzuleiten.In order to improve the mixing of fuel and air, it can also be provided that the fuel nozzles are designed to introduce the fuel essentially transversely into the respective swirl duct on the inflow side.

Wie bereits erwähnt, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Drallkanäle durch selektives Laserschmelzen (SLM) aus Metall gefertigt sind.As already mentioned, it is preferably provided that the swirl channels are made of metal by selective laser melting (SLM).

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Brenners. Die Drallkanäle werden hierbei durch selektives Laserschmelzen (SLM), also durch ein additives Fertigungsverfahren, aus einem Metallpulver gefertigt, welches zur Bildung der Drallkanäle bzw. des durch die Drallkanäle gebildeten Drallerzeugers schichtweise geschmolzen wird. Dabei werden die Drallkanäle einzeln gefertigt und zur Bereitstellung des Drallerzeugers um die Mittelachse angeordnet. Alternativ dazu können die Drallkanäle auch gruppenweise einstückig und/oder einteilig miteinander verbunden gefertigt und die Gruppen von miteinander verbundenen Drallkanälen zur Bereitstellung des Drallerzeugers um die Mittelachse angeordnet werden. Alternativ zu der Fertigung einzelner Drallkanäle und alternativ zu der Fertigung von Gruppen miteinander verbundener Drallkanäle kann der gesamte Drallerzeuger, also alle Drallkanäle, einstückig und/oder einteilig miteinander verbunden gefertigt und um die Mittelachse angeordnet werden.A further aspect of the invention relates to a method for producing a burner according to the invention. In this case, the swirl channels are produced by selective laser melting (SLM), i.e. by an additive manufacturing process, from a metal powder which is melted in layers to form the swirl channels or the swirl generator formed by the swirl channels. The swirl channels are manufactured individually and arranged around the central axis to provide the swirl generator. As an alternative to this, the swirl ducts can also be manufactured in groups in one piece and/or connected to one another in one piece and the groups of swirl ducts connected to one another can be arranged around the central axis in order to provide the swirl generator. As an alternative to the production of individual swirl channels and as an alternative to the production of groups of swirl channels connected to one another, the entire swirl generator, ie all swirl channels, can be manufactured in one piece and/or connected to one another in one piece and arranged around the central axis.

Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinanderstehen.The features disclosed above can be combined as desired, provided this is technically possible and they do not contradict one another.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 eine Variante eines Brenners;
2 Ausschnitt einer Variante eines Brenners.

Other advantageous developments of the invention are characterized in the dependent claims or are presented in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to the figures. Show it:

1 a variant of a burner;
2 Section of a variant of a burner.

Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.The figures are schematic by way of example. The same reference numbers in the figures indicate the same functional and/or structural features.

In 1 ist ein Brenner dargestellt, welcher einen Drallerzeuger aus einer Vielzahl von Drallkanälen 2 aufweist, welche vorliegend als Drallrohre ausgebildet sind, um eine Mittelachse X angeordnet sind und in welche sich an ihrer Einströmseite 21 jeweils eine Brennstoffdüse 3 hineinerstreckt, durch welche ein Brennstoff G in die Drallkanäle 2 einspritzbar bzw. eindüsbar ist. Dabei weisen die Drallkanäle 2 einströmseitig jeweils einen trichterförmigen Einströmabschnitt 27 auf, in welchem zwischen einer Innenwand bzw. Innenfläche des jeweiligen Drallkanals 2 und einer Außenwand bzw. Außenfläche der jeweiligen Brennstoffdüse 3 ein Luftdurchlass 28 gebildet ist, durch welchen im Wesentlichen parallel zu dem Brennstoff G Luft L in den jeweiligen Drallkanal 2 einströmen kann. Der Brennstoff G und die Luft L mischen sich in den Drallkanälen 2 und strömen als Brennstoff-Luft-Gemisch entlang des jeweiligen Strömungspfades 23 von der Einströmseite 21 zu einer Ausströmseite 23 des jeweiligen Drallkanals 2.In 1 a burner is shown, which has a swirl generator made up of a large number of swirl channels 2, which in the present case are designed as swirl tubes, arranged around a central axis X and into each of which a fuel nozzle 3 extends on their inflow side 21, through which a fuel G can be injected or injected into the swirl ducts 2. The swirl ducts 2 each have a funnel-shaped inflow section 27 on the inflow side, in which an air passage 28 is formed between an inner wall or inner surface of the respective swirl duct 2 and an outer wall or outer surface of the respective fuel nozzle 3, through which air passage essentially parallel to the fuel G Air L can flow into the respective swirl channel 2. The fuel G and the air L mix in the swirl ducts 2 and flow as a fuel-air mixture along the respective flow path 23 from the inflow side 21 to an outflow side 23 of the respective swirl duct 2.

Dabei durchströmt das Brennstoff-Luft-Gemisch zunächst einen parallel zu der Mittelachse verlaufenden Abschnitt 24 (gerader Abschnitt 24) des jeweiligen Drallkanals 2, welcher mittels eines stetigen fließenden Übergangs 25 in einen helixartig um die Mittelachse X gewundenen Abschnitt 26 übergeht, welcher auch als gekrümmter Abschnitt 26 bezeichnet werden kann.The fuel-air mixture first flows through a section 24 (straight section 24) of the respective swirl duct 2 running parallel to the central axis, which, by means of a continuous flowing transition 25, changes into a section 26 wound in a helix around the central axis X, which is also known as a curved Section 26 can be referred to.

Dabei wird dem Brennstoff-Luft-Gemisch beim durchströmen des gekrümmten Abschnitts 26 ein Drall bzw. eine Rotation aufgeprägt, sodass jeder aus einem Drallkanal 2 in den ausströmseitigen Brennraum 1 austretende Brennstoff-Luft-Gemisch-Strom mit einem Drall beaufschlagt ist. Dabei bildet der Brennstoff-Luft-Gemisch-Strom durch einen einzelnen Drallkanal 2 lediglich einen Teilstrom der gesamten durch die Drallkanäle 2 strömenden Brennstoff-Luft-Gemisch-Strömung.A swirl or rotation is imparted to the fuel-air mixture as it flows through the curved section 26, so that each fuel-air-mixture stream exiting a swirl channel 2 into the outflow-side combustion chamber 1 is subjected to a swirl. The fuel-air mixture flow through a single swirl duct 2 forms only a partial flow of the entire fuel-air mixture flow flowing through the swirl ducts 2 .

Im Brennraum 1 wird das mit der gesamten Brennstoff-Luft-Gemisch-Strömung einströmende Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt, wobei sich durch die Drallbeaufschlagung der einzelnen Teilströme eine Drallbeaufschlagung der gesamten Strömung und mithin eine emissionsarme Verbrennung ergibt, wobei durch die Vielzahl von entlang der Mittelachse X verlaufenden Drallkanäle 2 zugleich ein hoher Rückschlagwiderstand erreicht wird, sodass eine Flamme bei der Verbrennung aus dem Brennraum 1 nicht wesentlich in die Drallkanäle 2 zurückschlägt.The fuel-air mixture flowing in with the entire fuel-air mixture flow is burned in the combustion chamber 1, with the swirling application of the individual partial flows resulting in a swirling application of the entire flow and thus low-emission combustion, with the large number of along the Central axis X running swirl channels 2 at the same time a high backfire resistance is achieved, so that a flame during combustion from the combustion chamber 1 does not significantly flash back into the swirl channels 2.

In 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt auf den parallel zu der Mittelachse verlaufenden Abschnitt 24 eines Brenners dargestellt, wobei es sich um den Brenner gemäß 1 handeln kann. Zumindest ein Teil der Drallkanäle 2 ist zudem im Halbschnitt dargestellt, sodass der Schnitt durch die Wandungen 29 eines Teils der Drallkanäle 2 verläuft, wodurch insbesondere die Brennstoffdüsen 3 im Bereich der als Trichter ausgebildeten Einströmabschnitte 27 sichtbar sind.In 2 an enlarged section of the section 24 of a burner running parallel to the central axis is shown, this being the burner according to FIG 1 can act. At least part of the swirl ducts 2 is also shown in half section, so that the section runs through the walls 29 of a part of the swirl ducts 2, whereby the fuel nozzles 3 in particular are visible in the area of the inflow sections 27 designed as funnels.

Wie zuvor beschrieben, ist zwischen den Außenflächen der Brennstoffdüsen 27 und den Innenflächen der Drallkanäle 2 im Bereich der Einströmabschnitte 27 jeweils ein ringförmig um die Brennstoffdüse 3 verlaufender Luftdurchlass 28 gebildet, durch welchen hindurch die Luft L in den jeweiligen Drallkanal 2 einströmt. Dabei ist an den Brennstoffdüsen 3 jeweils zumindest ein vorliegend tragflächenartig ausgebildetes Fluidleitelement 4 vorgesehen, welches sich in den ringförmigen Luftdurchlass 28 hinein erstreckt und die einströmende Luft L strömungsoptimiert in den zugehörigen Drallkanal 2 lenkt.As described above, between the outer surfaces of the fuel nozzles 27 and the inner surfaces of the swirl ducts 2 in the region of the inflow sections 27, an air passage 28 is formed which runs annularly around the fuel nozzle 3 and through which the air L flows into the respective swirl duct 2. At least one fluid guide element 4 , which in this case is configured like an aerofoil, is provided on each of the fuel nozzles 3 , which extends into the annular air passage 28 and directs the inflowing air L into the associated swirl channel 2 in a flow-optimized manner.

BezugszeichenlisteReference List

11: Brennraumcombustion chamber
22: Drallkanalswirl channel
2121: Einströmseiteinflow side
2222: Ausströmseiteoutflow side
2323: Strömungspfadflow path
2424: gerader Abschnitt / parallel zu der Mittelachse verlaufender Abschnittstraight section / section parallel to the central axis
2525: Übergangcrossing
2626: gekrümmter Abschnitt / helixartig gewundener Abschnittcurved section / helically wound section
2727: Einströmabschnittinflow section
2828: Luftdurchlassair passage
2929: Wandungwall
33: Brennstoffdüsefuel nozzle
XX: Mittelachsecentral axis
GG: Brennstofffuel
LL: LuftAir

Claims

Burner with a combustion chamber (1), a large number of swirl ducts (2), with a swirl duct (2) having at least one fuel nozzle (3) for introducing fuel (G) into the respective swirl duct (2), with the swirl ducts (2 ) each extend from an inflow side (21), on which fuel (G) can be introduced from the respective fuel nozzle (3) into the swirl duct (2), to an outflow side (22) opening into the combustion chamber (1), and the swirl ducts (2 ) each along a flow path (23) extending from the inflow side (21) to the outflow side (22) of a fuel-air mixture of the fuel (G) and air (L) flowing into the swirl duct (2) can flow through , whereby the burner has a through the combustion chamber (1) running central axis (X) and the swirl channels (2) are wound at least in sections helically around the central axis (X), starting from the outflow side (22), so that the flow from the inflow side (21) along the flow path (23) to the outflow side (23 ) flowing fuel-air mixture through the swirl ducts (2) is subjected to a swirl and flows into the combustion chamber (1) in a swirling state.

burner after claim 1 , wherein the flow paths (23) and/or center lines of the swirl ducts (2) in the section (26) of the swirl ducts running helically around the central axis (X) each have a lead angle a greater than 0° and less than 90°, in particular greater than 60° and less 90°, more particularly exactly 60°.

burner after claim 1 or 2 , wherein the swirl channels (2) each have the section (26) wound helically around the central axis on the outflow side and a section (24) running parallel to the central axis on the inflow side, with a respective transition (25) between the section (26) wound in a helical manner and the section (24) running parallel to the central axis is fluid.

Burner according to one of the preceding claims, wherein the swirl ducts (2) each have an annular cross section and are designed as swirl tubes.

Burner according to one of the preceding claims, wherein the fuel nozzles (3) each extend into the respective swirl channel (2) on the inflow side.

Burner according to one of the preceding claims, the swirl channels (2) each having an inflow section (27), in particular funnel-shaped, on the inflow side, into which the respective fuel nozzle (3) extends, wherein between an outer surface of the respective fuel nozzle (3) and an inner surface of the respective swirl duct (2) in its inflow section (27) there is an air passage (28) which in cross-section runs in particular annularly around the fuel nozzle (3) and through which air (L) can flow into the respective swirl channel (2).

Burner according to one of the preceding claims, fluid guide elements (4) being provided in the swirl channels (2) and/or on the fuel nozzles (3) for flow optimization.

Burner according to one of the preceding claims, in which the swirl channels (2) are arranged on at least one annular path which is coaxial with the central axis (X).

Burner according to one of the preceding claims, wherein the swirl ducts (2) of the plurality of swirl ducts (2) abut one another.

Burner according to the preceding claim, wherein the swirl ducts (2) each have a wall (29) delimiting the respective swirl duct (2) in the radial direction and the walls (29) of swirl ducts (2) lying against one another are formed in one piece and/or in one piece.

Burner according to one of the preceding claims, wherein the fuel nozzles (3) are designed to inject the fuel (G) essentially transversely into the respective swirl channel (2) on the inflow side.

Burner according to one of the preceding claims, in which the swirl channels (2) are manufactured from metal by selective laser melting.

Method for producing a burner according to the preceding claim, in which the swirl channels (2) are produced from a metal powder by selective laser melting and the swirl channels (2) are manufactured individually and arranged around the central axis (X). or the swirl ducts (2) are manufactured in groups in one piece and/or connected to one another in one piece and the groups of swirl ducts (2) connected to one another are arranged around the central axis (X). or all swirl ducts (2) are manufactured in one piece and/or connected to one another in one piece and are arranged around the center axis (X).