DE102022103746A1 - Burner system for generating hot gas - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennersystem (1) zur Erzeugung von Heißgas, insbesondere zum Einsatz in Gasturbinen, mit einer Brennkammer (3), die einen bezüglich einer Längsachse (L) ausgerichteten Brennraum (6) umfasst, und mit einem Brennerkopf (4) mit zumindest einer Oxidator-/Brennstoffzufuhranordnung (18), umfassend zumindest eine Zufuhrdüse (20) zur drallfreien Zufuhr von Oxidator und/oder Brennstoff in die Brennkammer (3), wobei die Zufuhrdüse (20) einen sich entlang einer Düsenachse (M) erstreckenden, von einer Düsenwand (22) umgrenzten Düsenkanal (28) aufweist, der mit einer brennkammerseitigen Ausströmöffnung (26) in den Brennraum (6) mündet. Das Brennersystem ist sicher und schadstoffarm mit hochreaktiven Brennstoffen betreibbar, wenn die Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung (18) in dem Düsenkanal (28) eine Gruppe umfassend mindestens zwei Zuführöffnungen (42) zur Zufuhr von Brennstoff in den Oxidator an einer vierten axialen Zuführposition (43) innerhalb eines in die Ausströmöffnung (26) mündenden Ausströmbereichs (25) des Düsenkanals (28) aufweist (Fig. 2A).The invention relates to a burner system (1) for generating hot gas, in particular for use in gas turbines, with a combustion chamber (3) which comprises a combustion chamber (6) aligned with respect to a longitudinal axis (L), and with a burner head (4) with at least an oxidizer/fuel supply arrangement (18), comprising at least one supply nozzle (20) for the swirl-free supply of oxidizer and/or fuel into the combustion chamber (3), the supply nozzle (20) having a nozzle axis (M) extending from one The nozzle channel (28) is delimited by the nozzle wall (22) and opens into the combustion chamber (6) with an outflow opening (26) on the combustion chamber side. The burner system can be operated safely and with low emissions with highly reactive fuels if the oxidizer/fuel feed device (18) in the nozzle channel (28) has a group comprising at least two feed openings (42) for feeding fuel into the oxidizer at a fourth axial feed position (43). within an outflow region (25) of the nozzle channel (28) which opens into the outflow opening (26) (FIG. 2A).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennersystem zur Erzeugung von Heißgas, insbesondere zum Einsatz in Gasturbinen, mit einer Brennkammer, die einen bezüglich einer Längsachse ausgerichteten Brennraum umfasst, und mit einem Brennerkopf mit zumindest einer Oxidator-/Brennstoffzufuhranordnung, umfassend zumindest eine Zufuhrdüse zur drallfreien Zufuhr von Oxidator und/oder Brennstoff in die Brennkammer, wobei die Zufuhrdüse einen sich entlang einer Düsenachse erstreckenden, von einer Düsenwand umgrenzten Düsenkanal aufweist, der mit einer brennkammerseitigen Ausströmöffnung in den Brennraum mündet.The invention relates to a burner system for generating hot gas, in particular for use in gas turbines, with a combustion chamber that includes a combustion space aligned with respect to a longitudinal axis, and with a burner head with at least one oxidizer/fuel supply arrangement, including at least one supply nozzle for supplying oxidizer without swirling and/or fuel into the combustion chamber, the supply nozzle having a nozzle channel which extends along a nozzle axis and is delimited by a nozzle wall and which opens into the combustion chamber with an outflow opening on the combustion chamber side.

Ein derartiges Brennersystem, das auch als rezirkulationsstabilisierter Strahlflammenbrenner zur unverdrallten Hochgeschwindigkeitsverbrennung bekannt ist, geht beispielsweise aus der EP 1 918 641 A2 hervor. Bei derartigen Brennersystemen wird die Verbrennungszone in dem Brennraum im Betrieb durch eine großräumige brennkammerinterne Rezirkulation von Abgas stabilisiert. Dabei wird das Brennstoff-Oxidator-Gemisch als Strahlen mit einem derart hohen axialen Impuls in die Brennkammer eingebracht, dass sich eine großräumige Rezirkulationszone ausbildet. Die Rezirkulation bringt das verbrannte, heiße Abgas zurück an die Strahlwurzel nahe der Zufuhrdüsen und vermischt es mit den eintretenden Frischgasen. Bei einer bekannten Anordnung der Zufuhrdüsen ringförmig entsteht die Rezirkulationszone in der Regel im Wesentlichen radial innerhalb des Düsenrings.Such a burner system, which is also known as a recirculation-stabilized jet flame burner for high-speed, non-swirled combustion, is known, for example, from EP 1 918 641 A2 out. In such burner systems, the combustion zone in the combustion chamber is stabilized during operation by a large-scale recirculation of exhaust gas inside the combustion chamber. The fuel-oxidizer mixture is introduced into the combustion chamber as jets with such a high axial momentum that a large-scale recirculation zone is formed. Recirculation brings the burned, hot exhaust gas back to the jet root near the feed nozzles and mixes it with the incoming fresh gases. In a known ring-shaped arrangement of the feed nozzles, the recirculation zone generally arises essentially radially inside the nozzle ring.

Ein weiteres Brennersystem dieser Art ist aus der EP 1 497 589 B1 bekannt.Another burner system of this type is from the EP 1 497 589 B1 known.

Im Hinblick auf zukünftige Anforderungen kommt Wasserstoff als Energieträger, insbesondere aus verschiedenen regenerativen Quellen, eine immer größere Bedeutung zu. Die Verwendung hochwasserstoffreicher Brennstoffe, die sich durch eine hohe Reaktivität auszeichnen, stellt eine differenzierte Herausforderung hinsichtlich Brennverhalten und Sicherheit dar. Dies macht eine Neu- und Weiterentwicklung von Brennersystemen erforderlich.With regard to future requirements, hydrogen as an energy carrier, especially from various regenerative sources, is becoming increasingly important. The use of highly hydrogen-rich fuels, which are characterized by high reactivity, poses a differentiated challenge in terms of combustion behavior and safety. This requires new and further development of burner systems.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennersystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, das sicher und schadstoffarm mit hochreaktiven Brennstoffen betreibbar ist.The object of the invention is to provide a burner system of the type mentioned at the outset that can be operated safely and with low emissions using highly reactive fuels.

Die Aufgabe wird bei dem Brennersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass die Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung in dem Düsenkanal eine Gruppe umfassend mindestens zwei Zuführöffnungen zur Zufuhr von Brennstoff in den Oxidator an einer vierten axialen Zuführposition innerhalb eines in die Ausströmöffnung mündenden Ausströmbereichs des Düsenkanals aufweist.The object is achieved with the burner system with the features of claim 1. It is provided that the oxidizer/fuel supply device in the nozzle channel has a group comprising at least two supply openings for supplying fuel into the oxidizer at a fourth axial supply position within an outflow region of the nozzle channel opening into the outflow opening.

Der Ausströmbereich ist als ein axialer Bereich stromauf angrenzend an die Ausströmöffnung definiert, über den sich die vierten Zuführöffnungen erstrecken bzw. in dem sie angeordnet sind. Der Ausströmbereich sollte kurz ausgebildet sein, um eine (quasi-) unvorgemischte Zufuhr von Oxidator und Brennstoff in den Brennraum zu erreichen. Der Ausströmbereich kann sich z. B. über eine axiale Länge von maximal 5 mm oder maximal 3 mm erstrecken und im Grenzfalle nur die Ausströmöffnung umfassen. Die Düsenachse ist insbesondere zumindest im Wesentlichen (z. B. mit einer Abweichung um bis zu 10°) parallel zu der Längsachse ausgerichtet.The outflow area is defined as an axial area upstream adjacent to the outflow opening, over which the fourth supply openings extend or in which they are arranged. The outflow area should be short in order to achieve a (quasi) unmixed supply of oxidizer and fuel into the combustion chamber. The outflow area can be B. extend over an axial length of at most 5 mm or at most 3 mm and, in the extreme case, only include the outflow opening. In particular, the nozzle axis is aligned at least essentially (eg with a deviation of up to 10°) parallel to the longitudinal axis.

Einer Gruppe von Zuführöffnungen sind jeweils solche Zuführöffnungen zugeordnet, die zumindest einen gemeinsamen Auslegungsparameter aufweisen, z. B. für zur gemeinsamen Zugabe einer bestimmten Art von Brenngas ausgelegt sind, und/oder eine einander entsprechende Funktion erfüllen. Ein hier beispielhafter gemeinsamer Auslegungsparameter ist die Anordnung an derselben, hier vierten, axialen Zuführposition. Die Zuführöffnungen sind z. B. im Querschnitt kreisrund ausgebildet. Die Zuführposition ist z. B. bzgl. der axialen Mitte der Zuführöffnung angegeben.A group of feed openings are each associated with those feed openings which have at least one common design parameter, e.g. B. are designed for the joint addition of a certain type of fuel gas, and / or fulfill a mutually corresponding function. A common design parameter here, by way of example, is the arrangement at the same, here fourth, axial feed position. The feed openings are z. B. circular in cross section. The feeding position is z. B. with respect to the axial center of the feed opening.

Als Oxidator wird vorliegend die Gesamtheit aus dem eigentlichen Oxidationsmittel in der Verbrennungsreaktion, insbesondere Sauerstoff, und ggf. mit Oxidationsmittel vermischtem Fluid bezeichnet. Beispielsweise ist Luft, reiner Sauerstoff oder ein Sauerstoff/Wasserdampf-Gemisch als Oxidator verwendbar.In the present case, the term oxidizer refers to the entirety of the actual oxidizing agent in the combustion reaction, in particular oxygen, and fluid possibly mixed with oxidizing agent. For example, air, pure oxygen or an oxygen/water vapor mixture can be used as the oxidizer.

Der Brennerkopf umfasst zumindest Teile eines Oxidatorverteilerraums und/oder Brennstoffverteilerraums sowie die Oxiadator-/Brennstoffzufuhreinrichtung. Zumindest Teile des Brennerkopfes, insbesondere die Zufuhrdüse/n, können in einem additiven Fertigungsverfahren, über 3D-Druck, hergestellt sein.The burner head comprises at least parts of an oxidizer distribution space and/or fuel distribution space and the oxidizer/fuel supply device. At least parts of the burner head, in particular the feed nozzle(s), can be manufactured using an additive manufacturing process, using 3D printing.

Durch die nicht-vorgemischte Zugabe über mehrere Zuführöffnungen lässt sich das erfindungsgemäße Brennersystem auch mit hochreaktiven, wie hochwasserstoffhaltigen, Brennstoffen sicher, ohne Gefahr von Selbstzündung und/oder Flammenrückschlag innerhalb des Düsenkanals, mit dennoch guter Durchmischung von Brennstoff und Oxidator für einen schadstoffarmen Betrieb, betreiben.Due to the non-premixed addition via several feed openings, the burner system according to the invention can also be operated safely with highly reactive fuels, such as fuels with a high hydrogen content, without the risk of self-ignition and/or flashback within the nozzle channel, with nevertheless good mixing of fuel and oxidizer for low-emission operation .

Die Reaktivität eines Brennstoffes kann beispielsweise anhand eines Parameters, z. B. einer (theoretischen) Flammengeschwindigkeit und/oder einer (theoretischen) Zündverzugszeit, abgeschätzt und/oder klassifiziert werden, aufgrund der starken Abhängigkeit von den Randbedingungen vorzugsweise bei einer (Auslegungs-) Betriebsbedingung. Nachfolgend weist definitionsgemäß ein hochreaktiver Brennstoff eine höhere Reaktivität (z. B. höhere Flammengeschwindigkeit und/oder geringere Zündverzugszeit) auf als ein Brennstoff mit vergleichsweise geringer Reaktivität (z. B. Erdgas). Ein Brennstoff mit einem mit mittlerer Reaktivität liegt zwischen der Reaktivität eines hochreaktiven Brennstoffes und eines solchen mit geringer Reaktivität und kann z. B. durch ein Synthesegas aus regenerativer Quelle, wie Biomasse, enthaltend z. B. Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und/oder Stickstoff, und/oder einem Gemisch enthaltend Wasserstoff und Kohlenwasserstoff/e gebildet sein.The reactivity of a fuel can be determined, for example, using a parameter, e.g. B. a (theoretical) flame speed and / or a (theoretical) ignition delay time, are estimated and/or classified, due to the strong dependence on the boundary conditions, preferably in one (design) operating condition. According to the definition below, a highly reactive fuel has a higher reactivity (e.g. higher flame speed and/or shorter ignition delay time) than a fuel with comparatively low reactivity (e.g. natural gas). A fuel with a medium reactivity lies between the reactivity of a highly reactive fuel and one with low reactivity and can e.g. B. by a synthesis gas from a regenerative source such as biomass containing z. B. hydrogen, carbon monoxide and / or nitrogen, and / or a mixture containing hydrogen and hydrocarbon / s may be formed.

Einem sicheren Betrieb ist es zuträglich, wenn die vierten Zuführöffnungen zur Zugabe des Brennstoffes zumindest im Wesentlichen (z. B. mit einer Abweichung von der axialen Richtung um maximal 10°) im Gleichstrom mit der Hauptströmungsrichtung (unter Vernachlässigung turbulenter Verwirbelungen) des Oxidators innerhalb des Ausströmbereiches ausgebildet sind. So können lokale Rückströmgebiete minimiert werden, die zu unerwünschter Flammenstabilisierung führen können. Insbesondere sind die Zuführöffnungen jeweils am stromabseitigen Ende separater, vierter Zuführkanäle angeordnet, die je mit einem Endabschnitt umfassend die vierten Zuführöffnungen in zumindest im Wesentlichen axialer Richtung ausgerichtet sind. Die Einströmgeschwindigkeit des Brennstoffes kann z. B. bis zu 150 % oder 200 % der Oxidatorströmung betragen.It is beneficial for safe operation if the fourth feed openings for adding the fuel are at least essentially (e.g. with a deviation from the axial direction by a maximum of 10°) in cocurrent with the main flow direction (ignoring turbulent turbulence) of the oxidizer within the Outflow area are formed. In this way, local backflow areas that can lead to undesirable flame stabilization can be minimized. In particular, the feed openings are each arranged at the downstream end of separate, fourth feed channels, which are each aligned with an end section comprising the fourth feed openings in at least a substantially axial direction. The inflow velocity of the fuel can be B. be up to 150% or 200% of the oxidizer flow.

Vorzugsweise sind die vierten Zuführöffnungen zur Zufuhr hochreaktiver, insbesondere hoch-wasserstoffhaltiger, Brennstoffe ausgelegt. Dazu weisen sie insbesondere einen entsprechenden Durchmesser zur Zugabe eines (Auslegungs-)Brennstoffes in einem (Auslegungs-)Betriebspunkt auf.The fourth feed openings are preferably designed to feed in highly reactive fuels, in particular fuels with a high hydrogen content. For this purpose, they have, in particular, a corresponding diameter for adding a (design) fuel at a (design) operating point.

Flexible Betriebsmöglichkeiten ergeben sich, wenn die Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung innerhalb der Zufuhrdüse zumindest eine erste Zuführöffnung, vorzugsweise eine Gruppe umfassend mindestens zwei derselben, aufweist, die innerhalb des Düsenkanals zur Zufuhr von Brennstoff in den Oxidator an einer ersten axialen Zuführposition stromauf der vierten axialen Zuführposition angeordnet ist.Flexible operating options result if the oxidizer/fuel supply device has at least one first supply opening within the supply nozzle, preferably a group comprising at least two of them, which is located within the nozzle channel for supplying fuel into the oxidizer at a first axial supply position upstream of the fourth axial supply position is arranged.

Vorzugsweise ist dabei die zumindest eine erste Zuführposition mindestens 10 mm stromauf der Ausströmöffnung, z. B. im am weitesten stromaufgelegenen axialen Drittel, insbesondere im am weitesten stromaufgelegenen axialen Viertel, des Düsenkanals, angeordnet. Die Zuführposition liegt z. B. möglichst nahe an einem Einströmbereich, jedoch derart stromab, dass im Betrieb Einlaufeffekte der Oxidatorströmung in den Düsenkanal zumindest im Wesentlichen abgeklungen sind. Der Abstand zu der Ausströmöffnung ist z. B. unter Berücksichtigung zumindest einer Zündverzugszeit (der Zeitdifferenz zwischen Brennstoffzugabe und spontaner Zündung bei Betriebsbedingungen) des (Auslegungs-) Brennstoffes geringer Reaktivität derart ausgelegt, dass es bei der Durchmischung von Brennstoff und Oxidator innerhalb der Zufuhrdüse nicht zu einer Zündung innerhalb des Düsenkanals kommt (d. h. eine Aufenthaltszeit des Brennstoff-Oxidator-Gemisches im Düsenkanal ist kürzer als die Zündverzugszeit). Ein möglichst großer Abstand ermöglicht eine gute Durchmischung. Vorzugsweise ist die Länge des Düsenkanals auf die erste Zuführposition abgestimmt, d.h. entspricht zumindest dem Abstand der ersten Zuführposition zu der Ausströmöffnung, z. B. zuzüglich zumindest einem Einströmbereich, um lokale Rückströmgebiete am Ort der Brennstoffzugabe zu vermeiden. So kann eine gute Vormischung von Brennstoff und Oxidator bewirkt werden, was einer schadstoffarmen Verbrennung zuträglich ist.Preferably, the at least one first feed position is at least 10 mm upstream of the outflow opening, e.g. B. in the most upstream axial third, in particular in the most upstream axial quarter, of the nozzle channel. The feeding position is z. B. as close as possible to an inflow area, but downstream in such a way that inflow effects of the oxidant flow in the nozzle channel have at least essentially subsided during operation. The distance to the outflow opening is z. B. taking into account at least one ignition delay time (the time difference between fuel addition and spontaneous ignition under operating conditions) of the (design) fuel of low reactivity designed in such a way that the mixing of fuel and oxidizer within the feed nozzle does not lead to ignition within the nozzle channel ( i.e. a residence time of the fuel-oxidizer mixture in the nozzle channel is shorter than the ignition delay time). The greatest possible distance enables good mixing. The length of the nozzle channel is preferably matched to the first feed position, i.e. corresponds at least to the distance from the first feed position to the outflow opening, e.g. B. plus at least one inflow area in order to avoid local backflow areas at the location of the fuel addition. In this way, a good pre-mixing of fuel and oxidizer can be achieved, which is conducive to low-emission combustion.

Vorzugsweise ist die zumindest eine erste Zuführöffnung zur Zufuhr von Brennstoffen mit vergleichsweise geringer Reaktivität, insbesondere von Erdgas, ausgelegt. Dazu weist die erste Zuführöffnung insbesondere einen entsprechenden Durchmesser zur Zugabe eines (Auslegungs-)Brennstoffes in einem (Auslegungs-)Betriebspunkt auf.The at least one first supply opening is preferably designed for supplying fuels with comparatively low reactivity, in particular natural gas. For this purpose, the first feed opening has, in particular, a corresponding diameter for adding a (design) fuel at a (design) operating point.

Zu einer guten Vormischung von Brennstoff und Oxidator trägt bei, wenn die zumindest eine erste Zuführöffnung zur Zugabe des Brennstoffes zumindest im Wesentlichen (z. B. mit einer Abweichung von der axialen Richtung bis maximal 45°) oder ausschließlich gegen die Hauptströmungsrichtung des Oxidators und/oder in einem Querstrom zur Hauptströmungsrichtung (insbesondere radial) innerhalb des Düsenkanals ausgebildet sind. Insbesondere ist die erste Zuführöffnung (oder ggf. mehrere Zuführöffnungen) am stromabseitigen Ende eines ersten Zuführkanals (bei mehreren Zuführöffnungen jeweils eines ersten Zuführkanals) angeordnet, der mit einem Endabschnitt, mündend in die erste Zuführöffnung, mit zumindest einer axialen Richtungskomponente ausgerichtet ist, insbesondere zur Zugabe des Brennstoffes zumindest im Wesentlichen (z. B. mit einer Abweichung von der axialen Richtung bis maximal 45°) gegen die Hauptströmungsrichtung zur und/oder in einem Querstrom.A good premixing of fuel and oxidizer contributes if the at least one first feed opening for adding the fuel is at least essentially (e.g. with a deviation from the axial direction of up to 45°) or exclusively against the main flow direction of the oxidizer and/or or are formed in a cross-flow to the main flow direction (in particular radially) within the nozzle channel. In particular, the first supply opening (or possibly several supply openings) is arranged at the downstream end of a first supply channel (in the case of several supply openings a first supply channel each) which is aligned with an end section, opening into the first supply opening, with at least one axial directional component, in particular towards Addition of the fuel at least essentially (z. B. with a deviation from the axial direction up to a maximum of 45 °) against the main flow direction and / or in a cross flow.

Flexible Betriebsmöglichkeiten ergeben sich, wenn die Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung innerhalb der Zufuhrdüse zumindest eine zweite Zuführöffnung, vorzugsweise eine Gruppe umfassend mindestens zwei derselben, aufweist, die innerhalb des Düsenkanals zur Zufuhr von Brennstoff in den Oxidator an einer zweiten axialen Zuführposition stromauf der vierten axialen Zuführposition und, gegebenenfalls, stromab der ersten axialen Zuführposition, angeordnet ist.Flexible operating options arise when the oxidizer/fuel supply device within the supply nozzle has at least one second supply opening, preferably a group comprising at least two of the same, which is inner half of the nozzle channel for feeding fuel into the oxidizer at a second axial feeding position upstream of the fourth axial feeding position and, optionally, downstream of the first axial feeding position.

Dabei ist vorzugsweise die zumindest eine zweite Zuführposition mindestens 5 mm stromauf der Ausströmöffnung, z. B. im mittleren axialen Drittel und/oder der stromab gelegenen Hälfte der Zufuhrdüse, angeordnet. Der Abstand zu der Ausströmöffnung ist z. B. unter Berücksichtigung zumindest einer Zündverzugszeit des (Auslegungs-) Brennstoffes mittlerer Reaktivität derart ausgelegt, dass es bei der Durchmischung von Brennstoff und Oxidator innerhalb der Zufuhrdüse nicht zu einer Zündung innerhalb des Düsenkanals kommt. Ein möglichst großer Abstand ermöglicht eine gute Durchmischung.The at least one second feed position is preferably at least 5 mm upstream of the outflow opening, e.g. B. in the middle axial third and / or the downstream half of the feed nozzle. The distance to the outflow opening is z. B. taking into account at least one ignition delay time of the (design) fuel of medium reactivity designed such that there is no ignition within the nozzle channel during the mixing of fuel and oxidizer within the feed nozzle. The greatest possible distance enables good mixing.

Vorzugsweise ist die zumindest eine zweite Zuführöffnung zur Zufuhr von Brennstoffen mit mittlerer Reaktivität, insbesondere wasserstoffhaltiger (insbesondere mit einem geringeren Wasserstoffgehalt als bei hochreaktiven Brennstoffen) Brennstoffe, ausgelegt. Dazu weist die zweite Zuführöffnung insbesondere einen entsprechenden Durchmesser zur Zugabe eines (Auslegungs-)Brennstoffes in einem (Auslegungs-)Betriebspunkt auf.The at least one second feed opening is preferably designed to feed in fuels with medium reactivity, in particular fuels containing hydrogen (in particular with a lower hydrogen content than in the case of highly reactive fuels). For this purpose, the second feed opening has, in particular, a corresponding diameter for adding a (design) fuel at a (design) operating point.

Zu einer guten Vormischung von Brennstoff und Oxidator trägt bei, wenn die zumindest eine zweite Zuführöffnung zur Zugabe des Brennstoffes in einem Querstrom zur Hauptströmungsrichtung des Oxidators (z. B. radial) innerhalb des Düsenkanals ausgebildet ist. Insbesondere ist die zweite Zuführöffnung (oder ggf. mehrere Zuführöffnungen) am stromabseitigen Ende eines zweiten Zuführkanals (bei mehreren Zuführöffnungen jeweils eines zweiten Zuführkanals) angeordnet, der mit einem Endabschnitt, mündend in die zweite Zuführöffnung, mit einer radialen Richtungskomponente ausgerichtet ist. Die Größe der Zuführöffnungen ist z. B. derart, dass der Brennstoff im Betrieb zumindest im Wesentlichen außerhalb einer an der Innenseite der Düsenwand und/oder des Injektorelements vorhandenen Grenzschicht in die Hauptströmung (des durch die Zufuhrdüse strömenden Fluidstroms) eingebracht wird.A good premixing of fuel and oxidizer contributes if the at least one second feed opening for adding the fuel is formed in a cross-flow to the main flow direction of the oxidizer (e.g. radially) within the nozzle channel. In particular, the second supply opening (or possibly several supply openings) is arranged at the downstream end of a second supply channel (in the case of several supply openings, each of a second supply channel), which is aligned with an end section, opening into the second supply opening, with a radial directional component. The size of the feed openings is z. B. in such a way that the fuel is introduced into the main flow (of the fluid flow flowing through the supply nozzle) at least essentially outside of a boundary layer present on the inside of the nozzle wall and/or the injector element.

Vorteilhafte Betriebsmöglichkeiten ergeben sich, wenn die Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung innerhalb der zumindest einen Zufuhrdüse zumindest eine dritte Zuführöffnung, vorzugsweise eine Gruppe umfassend mindestens zwei derselben, aufweist, die innerhalb des Düsenkanals zur Zufuhr von Brennstoff in den Oxidator an einer dritten axialen Zuführposition, ggf. stromab der ersten Zuführposition und/oder der zweiten Zuführposition, insbesondere innerhalb des Ausströmbereichs, d. h. nahe an der Ausströmöffnung (z. B. so nahe wie konstruktions- und/oder betriebsbedingt möglich), zumindest in etwa auf Höhe der vierten Zuführöffnungen, angeordnet ist.Advantageous operating options result if the oxidizer/fuel supply device has at least one third supply opening within the at least one supply nozzle, preferably a group comprising at least two of them, which is located within the nozzle channel for supplying fuel into the oxidizer at a third axial supply position, possibly downstream of the first feed position and/or the second feed position, in particular within the outflow area, d. H. is arranged close to the outflow opening (e.g. as close as possible due to the design and/or operation), at least approximately at the level of the fourth feed openings.

Zu einem stabilen Betrieb trägt bei, wenn die zumindest eine dritte Zuführöffnung zur Zufuhr eines Stützbrennstoffes, insbesondere eines Brennstoffes mit geringer, mittlerer und/oder hoher Reaktivität, ausgelegt ist. Der Stützbrennstoff kann z. B. zumindest zeitweise (etwa in Abhängigkeit des Betriebspunktes) zur Stabilisierung der Verbrennung z. B. unter sehr mageren Bedingungen (bei hohen Luftzahlen) eingesetzt werden. Z. B. kann bei Brennstoffen mit insbesondere geringer und/oder mittlerer Reaktivität ein geringer Anteil (z. B. maximal 40%, vorzugsweise maximal 20%) des jeweiligen Brennstoffes, neben der Zugabe über die erste(n) und/oder zweite(n) Zuführöffnung(en), über die dritte(n) Zuführöffnung(en) zugegeben werden. Möglich ist auch, z. B. in Abhängigkeit der Luftzahl, eine Zugabe über die dritte/n Zuführöffnung/en von bis zu 100 % des Brennstoffes.A contribution to stable operation is made if the at least one third feed opening is designed to feed in a support fuel, in particular a fuel with low, medium and/or high reactivity. The auxiliary fuel can, for. B. at least temporarily (approximately depending on the operating point) to stabilize the combustion z. B. under very lean conditions (at high air ratios). For example, in the case of fuels with particularly low and/or medium reactivity, a small proportion (e.g. a maximum of 40%, preferably a maximum of 20%) of the respective fuel can be added in addition to being added via the first and/or second feed opening (s) are added via the third feed opening(s). It is also possible, e.g. B. depending on the air ratio, an addition via the third / n feed opening / s of up to 100% of the fuel.

Einer guten Einmischung ist es zuträglich, wenn die zumindest eine dritte Zuführöffnung zur Zugabe des Brennstoffes in einem Querstrom zur Hauptströmungsrichtung des Oxidators innerhalb des Ausströmbereichs ausgebildet ist. Z. B. ist die dritte Zuführöffnung (oder ggf. mehrere dritte Zuführöffnungen) am stromabseitigen Ende eines dritten Zuführkanals (oder jeweils eines dritten Zuführkanals) angeordnet, der mit einem Endabschnitt, mündend in die dritte Zuführöffnung, mit einer radialen Richtungskomponente ausgerichtet ist, insbesondere zur Zugabe des Brennstoffes in einem Querstrom zur Hauptströmungsrichtung. Die Länge der Zuführkanals kann z. B. der Dicke der Düsenwand entsprechen.Good mixing is beneficial if the at least one third feed opening for adding the fuel is formed in a cross-flow to the main flow direction of the oxidizer within the outflow area. For example, the third supply opening (or possibly several third supply openings) is arranged at the downstream end of a third supply channel (or a third supply channel in each case), which is aligned with an end section, opening into the third supply opening, with a radial directional component, in particular for the addition of the Fuel in a cross flow to the main flow direction. The length of the feed channel can, for. B. correspond to the thickness of the nozzle wall.

Eine besonders effiziente Ausgestaltung ist erreichbar, wenn zumindest bei einer der Gruppen der ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Zufuhröffnungen die Zufuhröffnungen jeweils am stromabseitigen Ende separater Zuführkanäle angeordnet sind, die jeweils von außen nach innen durch die Düsenwand (und/oder durch ein Injektorelement) geführt sind. So kann auf eine Sammelleitung innerhalb des Düsenkanals mit einer vermehrten Versperrwirkung verzichtet werden.A particularly efficient configuration can be achieved if, at least in one of the groups of the first, second, third and/or fourth feed openings, the feed openings are each arranged at the downstream end of separate feed channels, each of which runs from the outside to the inside through the nozzle wall (and/or through a Injector element) are performed. A collecting line within the nozzle channel with an increased blocking effect can thus be dispensed with.

Flexible Betriebsmöglichkeiten ergeben sich, wenn mehrere, z. B. drei, Brennstoffverteilerräume, zur separaten Versorgung der ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Gruppe (insbesondere der ersten, zweiten und vierten Gruppe) von Zuführöffnungen, vorhanden sind, von denen jeweils die Zuführkanäle ausgehen, die den jeweiligen Zufuhröffnungen zugeordnet sind. Die einzelnen Brennstoffverteilerräume bilden insbesondere jeweils Verteilerräume beispielsweise in Form von Sammelleitungen für einen Brennstoff mit geringer, mittlerer und/oder hoher Reaktivität. In Verbindung mit einer entsprechend ausgebildeten Steuerung mittels einer Steuereinrichtung und/oder Peripherie (z. B. Steuerorganen) können insbesondere einzelne Gruppen, z. B. alle vier Gruppen von Zuführöffnungen separat angesteuert werden. Die Gruppe von dritten Zuführöffnungen kann z. B. wahlweise aus dem Brennstoffverteilerraum zur Versorgung der ersten, zweiten und/oder vierten Zuführöffnungen gespeist werden. Dies erlaubt einen Betrieb sowohl mit einzelnen Brennstoffen über eine Gruppe von Zuführöffnungen als auch z. B. mit Brennstoffgemischen, wobei mehrere Gruppen zeitgleich mit je einem Brennstoff versorgt werden. So können z. B. im Betrieb wechselnde Mischverhältnisse von verschiedenen Brennstoffen (insbesondere hoher, mittlerer und/oder geringer Reaktivität) eingestellt werden.Flexible operating options arise when several, e.g. B. three, fuel distributor chambers, for the separate supply of the first, second, third and / or fourth group (in particular the first, second and fourth group) of feed openings, are present, from which the feed channels that are assigned to the respective feed openings. The individual fuel distributor chambers form in particular Ver dividing spaces, for example in the form of manifolds for a fuel with low, medium and/or high reactivity. In connection with a correspondingly designed control by means of a control device and/or periphery (e.g. control elements), individual groups, e.g. B. all four groups of feed openings can be controlled separately. The group of third feed openings can e.g. B. are optionally fed from the fuel plenum to supply the first, second and / or fourth feed openings. This allows operation with both individual fuels via a group of feed openings and z. B. with fuel mixtures, with several groups being supplied simultaneously with one fuel each. So e.g. B. during operation changing mixing ratios of different fuels (especially high, medium and / or low reactivity) can be adjusted.

Welcher Brennstoff über welche Gruppe von Zuführöffnungen bzw. Zuführposition zuzugeben ist (d. h. definitionsgemäß welche Reaktivität aufweist), hängt in hohem Maße von den einzelnen Brennstoffen (die ihrerseits Brennstoffgemische darstellen können) und/oder den Betriebsbedingungen ab. Ziel der Zuordnung ist die Vermeidung einer Flamme innerhalb der Zufuhrdüse während des Betriebs. Bei der Zuordnung kann z. B. über Vorberechnungen und/oder vorzugsweise (ggf. zusätzliche) Vorversuche (über computergestützte Simulation und/oder experimentell) wie folgt vorgegangen werden. Brennstoffe, die unter Betriebsbedingungen eine Zündverzugszeit aufweisen, welche bei Zugabe über die erste und zweite Zuführposition zu einer Zündung innerhalb der Zufuhrdüse führen würden, oder eine Flammengeschwindigkeit aufweisen, die größer ist als die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Zufuhrdüse, sodass sich die Flamme in die Zufuhrdüse fortpflanzen würde, sind z. B. als hochreaktiv einzustufen und werden über die vierte Zuführposition zugegeben.Which fuel is to be added via which group of feed openings or feed position (i.e. which reactivity is defined by definition) depends to a large extent on the individual fuels (which in turn can represent fuel mixtures) and/or the operating conditions. The aim of the assignment is to avoid a flame inside the feed nozzle during operation. When assigning z. B. via preliminary calculations and / or preferably (possibly additional) preliminary tests (via computer-aided simulation and / or experimental) can be proceeded as follows. Fuels which, under operating conditions, have an ignition delay time which, if added via the first and second feed positions, would result in ignition within the feed nozzle, or have a flame velocity greater than the flow velocity within the feed nozzle such that the flame propagates into the feed nozzle would, are e.g. B. to be classified as highly reactive and are added via the fourth feed position.

Brennstoffe, die unter Betriebsbedingungen eine Zündverzugszeit aufweisen, welche bei Zugabe über die erste, nicht aber über die zweite Zuführposition zu einer Zündung innerhalb der Zufuhrdüse führen würden, und eine Flammengeschwindigkeit aufweisen, die kleiner ist als die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Zufuhrdüse, sodass die Flamme außerhalb der Zufuhrdüse verbleibt, weisen eine mittlere Reaktivität auf und werden vorzugsweise über die zweite Zuführposition zugegeben.Fuels which, under operating conditions, have an ignition delay time which, if added via the first but not the second feed position, would result in ignition within the feed nozzle, and have a flame velocity which is less than the flow velocity within the feed nozzle, such that the flame ignites outside remains of the feed nozzle have a medium reactivity and are preferably added via the second feed position.

Brennstoffe, die unter Betriebsbedingungen eine Zündverzugszeit aufweisen, welche bei Zugabe über die erste Zuführposition nicht zu einer Zündung innerhalb der Zufuhrdüse führen würden, und eine Flammengeschwindigkeit aufweisen, die kleiner ist als die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Zufuhrdüse, sodass die Flamme außerhalb der Zufuhrdüse verbleibt, weisen eine geringe Reaktivität auf und werden vorzugsweise über die erste Zuführposition zugegeben.Fuels which, under operating conditions, have an ignition delay time which, if added via the first feed position, would not result in ignition within the feed nozzle, and have a flame velocity which is less than the flow velocity within the feed nozzle, such that the flame remains outside the feed nozzle low reactivity and are preferably added via the first feed position.

Für eine besonders gleichmäßige Brennstoffzugabe einhergehend mit einer gleichmäßigen Einmischung des Brennstoffes in die Oxidatorströmung sind vorzugsweise zumindest innerhalb einer Gruppe, vorzugsweise innerhalb jeder Gruppe, mehrere Zuführöffnungen vorhanden, die bezüglich der Düsenachse rotationssymmetrisch zueinander angeordnet sind.For a particularly uniform addition of fuel accompanied by a uniform mixing of the fuel into the oxidizer flow, several feed openings are preferably present at least within one group, preferably within each group, which are arranged rotationally symmetrically to one another with respect to the nozzle axis.

Ebenfalls zu einer guten Einmischung des Brennstoffes in die Oxidatorströmung trägt bei, wenn zumindest bei einer Gruppe von Zuführöffnungen die Zuführöffnungen mittels eines Injektorelements gegenüber der (zylindrischen) Innenseite der Düsenwand radial nach innen versetzt angeordnet ist.Good mixing of the fuel into the oxidizer flow also contributes if at least one group of feed openings is arranged offset radially inwards by means of an injector element relative to the (cylindrical) inside of the nozzle wall.

In einer strömungsgünstigen Ausbildungsvariante ist das Injektorelement in Form eines sich längs, insbesondere (mit Seitenwänden und/oder einer radialen Oberseite eines jeweiligen Rippenelements) parallel zu der Düsenachse, entlang der Innenseite der Düsenwand erstreckenden Rippenelements ausgebildet. Das Rippenelement kann insbesondere an die (zylindrische) Innenseite der Düsenwand einstückig angeformt sein (wobei z. B. die Düsenwand ohne Materialwechsel in das Rippelelement übergeht), stoffschlüssig mit dieser verbunden und/oder an dieser befestigt sein.In a streamlined design variant, the injector element is designed in the form of a rib element extending longitudinally, in particular (with side walls and/or a radial upper side of a respective rib element) parallel to the nozzle axis, along the inside of the nozzle wall. The ribbed element can in particular be integrally formed on the (cylindrical) inside of the nozzle wall (e.g. the nozzle wall merging into the ribbed element without a change of material), materially connected to it and/or fastened to it.

Möglichst gleichmäßige Strömungsverhältnisse mit flexiblen Positionierungsmöglichkeiten der Zuführöffnungen ergeben sich, wenn das Rippenelement sich über mehr als die halbe Länge, insbesondere über mehr als 2/3 der Länge des Düsenkanals, bis in den Ausströmbereich, insbesondere bis an die Ausströmöffnung, erstreckt. Z. B. kann es sich stromab eines Einlaufbereiches in etwa ab der Position der ersten Zufuhrdüse (z. B. bis zu 2 mm oder 4 mm stromauf der Position der ersten Zufuhrdüse) gleichförmig (abgesehen von einem stromaufseitigen Ende und einem stromabseitigen Ende) erstrecken.Flow conditions that are as uniform as possible with flexible positioning options for the feed openings result when the rib element extends over more than half the length, in particular over 2/3 of the length of the nozzle channel, into the outflow area, in particular up to the outflow opening. For example, it may extend uniformly (apart from an upstream end and a downstream end) downstream of an inlet region from about the position of the first feed nozzle (e.g. up to 2 mm or 4 mm upstream of the position of the first feed nozzle).

Vorzugsweise sind zumindest zwei Zuführöffnungen aus unterschiedlichen Gruppen an demselben Rippenelement angeordnet. Insbesondere sind an jedem Rippenelement (jeweils genau) eine erste, zweite und vierte Zuführöffnung angeordnet.At least two feed openings from different groups are preferably arranged on the same rib element. In particular, a first, second and fourth feed opening are arranged (precisely in each case) on each rib element.

Einer gleichmäßigen Einbringung von Brennstoff und symmetrischen Strömungsverhältnissen ist es zuträglich, wenn mehrere (z. B. 4 bis 12, insbesondere 8) Rippenelemente vorhanden sind, die bezüglich der Düsenachse rotationssymmetrisch zueinander angeordnet sind.It is beneficial for an even introduction of fuel and symmetrical flow conditions if several (e.g. 4 to 12, especially special 8) rib elements are present, which are arranged rotationally symmetrically to each other with respect to the nozzle axis.

In einer bevorzugten Ausbildungsvariante sind mehrere Rippenelemente (z. B. jeweils 4) mit unterschiedlichen radialen Höhen (H1, H2) vorhanden, die insbesondere mehreren, z. B. zwei, Gruppen umfassend Rippenelemente gleicher Höhen (H1, H2) zugeordnet sind, wobei Rippenelemente der unterschiedlichen Gruppen innerhalb der Zufuhrdüse in Umlaufrichtung (tangentialer Richtung) um die Düsenachse zueinander alternierend angeordnet sind. So kann der Brennstoff auf unterschiedlichen radialen Höhen in die Oxidatorströmung eingebracht werden. Die größere Höhe (der hohen Rippe) beträgt beispielsweise zwischen dem halben und zwei Drittel des Radius der Zufuhrdüse. Die kleinere Höhe (der niedrigen Rippe) beträgt beispielsweise zwischen einem Fünftel des Radius und dem halben Radius der Zufuhrdüse, insbesondere zwischen einem Fünftel und einem Viertel des Radius, und/oder z. B. einen Faktor zwischen 0,3 und 0,6 der Höhe der hohen Rippe.In a preferred embodiment, there are several rib elements (e.g. 4 each) with different radial heights (H 1 , H 2 ), which in particular have several, e.g. B. two, groups comprising rib elements of the same heights (H 1 , H 2 ) are assigned, wherein rib elements of the different groups are arranged alternately to each other within the feed nozzle in the circumferential direction (tangential direction) around the nozzle axis. In this way, the fuel can be introduced into the oxidizer flow at different radial heights. The greater height (of the tall rib) is, for example, between 1/2 and 2/3 of the radius of the feed nozzle. The smaller height (of the low rib) is, for example, between a fifth of the radius and half the radius of the feed nozzle, in particular between a fifth and a quarter of the radius, and/or e.g. B. a factor between 0.3 and 0.6 the height of the high rib.

Vorteilhafterweise können die Rippenelemente über ihre radialen Höhen sich zur Düsenachse hin verbreiternd ausgebildet sein (auch unabhängig von dem Vorhandensein unterschiedlicher Höhen H1, H2). Die Verbreiterung kann beispielsweise über einen trapezartigen Querschnitt und/oder konkav zueinander verlaufenden Seitenwänden ausgeführt sein. Die im Querschnitt breiteste Stelle eines jeweiligen Rippenelements liegt vorzugsweise am weitesten radial innen (z. B. abgesehen von einer Rundung zwischen Seitenwänden und einer radialen Oberseite). Durch diese Ausbildung wird bei vergleichsweise geringem Strömungswiderstand Raum für die Anordnung von Zuführöffnungen und/oder zugeordneten Zuführkanälen innerhalb der Rippenelemente geschaffen.Advantageously, the rib elements can be designed to widen over their radial heights towards the nozzle axis (also independently of the presence of different heights H 1 , H 2 ). The widening can be implemented, for example, via a trapezoidal cross section and/or side walls that run concavely towards one another. The cross-sectionally widest point of each rib element is preferably furthest radially inward (e.g. apart from a rounding between side walls and a radial upper side). This design creates space for the arrangement of feed openings and/or associated feed channels within the rib elements with a comparatively low flow resistance.

In einer strömungsgünstigen Formgebung unter Vermeidung von lokalen Rückströmgebieten kann das Rippenelement an seinem stromabseitigen Ende zu einer radialen Linie unter Bildung einer radial ausgerichteten Abschlusskante auslaufen. Dabei verjüngt sich das Rippenelement in axialer Richtung.In a streamlined shape that avoids local backflow areas, the rib element can taper off at its downstream end to form a radial line, forming a radially oriented terminating edge. The rib element tapers in the axial direction.

In einer strömungsgünstigen Ausbildungsvariante ist das Rippenelement an einem stromaufseitigen Ende in axialer Draufsicht stumpf, mit einer endseitigen Stirnfläche, ausgebildet, wobei insbesondere die Stirnfläche axial in Richtung Ausströmöffnung rampenartig (gerade oder gewölbt) zur vollen Rippenhöhe und/oder -form ansteigt. Der Winkel bezüglich der Düsenachse kann für Rippenelemente mit unterschiedlichen Höhen unterschiedlich oder gleich sein und z. B. bis zu 60° betragen.In an aerodynamic design variant, the rib element is blunt at an upstream end in axial plan view, with an end face, with the face in particular increasing axially in a ramp-like manner (straight or curved) in the direction of the outflow opening to the full rib height and/or shape. The angle with respect to the nozzle axis can be different or the same for rib elements with different heights and e.g. B. be up to 60 °.

Vorteile sowohl in der Strömungsführung als auch in der Einmischung haben sich gezeigt, wenn an jedem Rippenelement zumindest eine vierte Zuführöffnung am stromabseitigen Ende des Rippenelements angeordnet ist und/oder wenn an jedem Rippenelement zumindest eine erste Zuführöffnung an der endseitigen Stirnfläche des Rippenelements angeordnet ist und/oder wenn an jedem Rippenelement zumindest eine zweite Zuführöffnung an einer radialen Oberseite des jeweiligen Rippenelements angeordnet ist. Die Anzahl der ersten, zweiten und/oder vierten Zuführöffnungen entspricht z. B. der Anzahl der Rippenelemente.Advantages both in the flow guidance and in the mixing have been shown if at least a fourth supply opening is arranged on the downstream end of the rib element on each rib element and/or if at least a first supply opening is arranged on the end face of the rib element on each rib element and/ or if at least one second feed opening is arranged on each rib element on a radial upper side of the respective rib element. The number of first, second and/or fourth feed openings corresponds to e.g. B. the number of rib elements.

Für eine besonders gleichmäßige Einbringung des Stützbrennstoffes sind vorzugsweise mehrere dritte Zuführöffnungen, insbesondere zwischen 12 und 30, z. B. 24, vorhanden, die in der Düsenwand ringförmig umlaufend und zwischen den vierten Zuführöffnungen und/oder den Rippenelementen angeordnet sind. Insbesondere sind jeweils Untergruppen mit einer gleichmäßigen Anzahl von dritten Zuführöffnungen zwischen den Rippenelementen angeordnet, z. B. jeweils 3 dritte Zuführöffnungen, die wiederum rotationsymmetrisch zu den anderen Untergruppen zwischen den Rippenelementen angeordnet sind.For a particularly uniform introduction of the auxiliary fuel, several third feed openings, in particular between 12 and 30, e.g. B. 24, present, which are arranged in the nozzle wall in a ring-shaped circumference and between the fourth feed openings and/or the rib elements. In particular, subgroups with an equal number of third feed openings are arranged between the rib elements, e.g. B. 3 third feed openings, which in turn are arranged rotationally symmetrically to the other subgroups between the rib elements.

Flexible Anwendungsmöglichkeiten mit einem effizienten, schadstoffarmen und stabilen Betrieb beispielsweise in Gasturbinen oder in industriellen Erwärmungseinrichtungen wie Industrieöfen, ergeben sich, wenn die Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung mehrere der Zufuhrdüsen (z. B. zwischen 6 und 24) umfasst, von denen zumindest einige bezüglich der Längsachse radial gleich beabstandet ringförmig umlaufend in einer Düsenringanordnung (rotationssymmetrisch um die Längsachse) und/oder radial versetzt zueinander in einer Matrixanordnung angeordnet sind.Flexible application options with efficient, low-emission and stable operation, for example in gas turbines or in industrial heating devices such as industrial furnaces, result if the oxidizer/fuel supply device comprises several of the supply nozzles (e.g. between 6 and 24), at least some of which with regard to the Longitudinal axis equally spaced radially circumferentially in a nozzle ring arrangement (rotationally symmetrical about the longitudinal axis) and/or radially offset from one another in a matrix arrangement.

Die Brennkammer kann zylindrisch oder als Ringbrennkammer, insbesondere mit einem Brennerkopf umfassend mehrere Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtungen, ausgebildet sein.The combustion chamber can be designed cylindrically or as an annular combustion chamber, in particular with a burner head comprising a plurality of oxidizer/fuel supply devices.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine Hälfte eines rotationssymmetrischen Brennersystems mit einem erfindungsgemäßen Brennerkopf umfassend eine Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung mit einer Zufuhrdüse und einer Brennkammer in einem schematischen Querschnitt,
  • 2 A,B ein Segment des Brennersystems gemäß 1 in perspektivischer Ansicht in die Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung mit der Zufuhrdüse mit Blickrichtung von der Brennkammer (2A) und von einem Oxidatorverteilerraum (2B),
  • 3 A, B die Zufuhrdüse gemäß 1 in einer perspektivischen Ansicht mit Blickrichtung von der Brennkammer,
  • 4 A, B die Zufuhrdüse gemäß 1 in einer perspektivischen Ansicht mit Blickrichtung von einem Oxidatorverteilerraum,
  • 5 die Zufuhrdüse gemäß 1 in einer seitlichen Ansicht,
  • 6 A - 6 D schematische Querschnittdarstellungen der Zufuhrdüse gemäß 1 an in 5 bezeichneten Positionen A-A (6 A), B-B (6 B), C-C (6 C ) und D-D (6 D),
  • 7 die Zufuhrdüse gemäß 1 in Ansicht von vorne mit Blickrichtung auf den Ausströmbereich,
  • 8 A, B die Zufuhrdüse gemäß 1 in einem in 7 bezeichneten Längsschnitt A-A (8 A) und B-B (8 B) und
  • 9A - 9D beispielhafte Alternativen von Anordnungen mehrerer Zufuhrdüsen an einer Stirnseite der Brennkammer mit Blickrichtung aus der Brennkammer, mit Düsenringanordnungen (9A, B) und Matrixanordnungen (9C, D).
The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings. Show it:
  • 1 one half of a rotationally symmetrical burner system with a burner head according to the invention comprising an oxidizer/fuel supply device with a supply nozzle and a combustion chamber in a schematic cross section,
  • 2A,B according to a segment of the burner system 1 in a perspective view of the oxidizer/fuel supply device with the supply nozzle looking in the direction of the burner chamber ( 2A ) and from an oxidizer plenum ( 2 B ),
  • 3A,B the feed nozzle according to 1 in a perspective view looking in the direction of the combustion chamber,
  • 4A,B the feed nozzle according to 1 in a perspective view looking in the direction of an oxidizer distributor space,
  • 5 the feed nozzle according to 1 in a side view,
  • 6 A - 6D schematic cross-sectional representations of the feed nozzle according to FIG 1 on in 5 designated positions AA ( 6 A ), BB ( 6 b ), CC ( 6c ) and DD ( 6D ),
  • 7 the feed nozzle according to 1 viewed from the front looking towards the outflow area,
  • 8A,B the feed nozzle according to 1 in a 7 designated longitudinal section AA ( 8 A ) and BB ( 8 b ) and
  • 9A - 9D exemplary alternative arrangements of multiple feed nozzles on a front side of the combustion chamber viewed from the combustion chamber, with nozzle ring arrangements ( 9A, B ) and matrix arrangements ( 9C, D ).

1 zeigt schematisch eine Hälfte eines Brennersystems 1 im Längsschnitt, das sich z. B. für den Einsatz in Gasturbinen und/oder in industriellen Erwärmungseinrichtungen wie Industrieöfen eignet, mit einer Brennkammer 3 und einem Brennerkopf 10. Die Brennkammer 3 erstreckt sich mit einem Brennraum 6, der hier beispielhaft von einer zylindrischen Umfangswandung 4 umgrenzt ist, axial entlang einer Längsachse L des Brennersystems 1 und radial rotationssymmetrisch um dieselbe. Eintrittsseitig an der Brennkammer 3 ist eine die Brennkammer 3 begrenzende Stirnwand 2 angeordnet. Austrittseitig weist die Brennkammer 3 einen Austritt 7 zum Auslass von Abgasen 8 auf. 1 shows schematically one half of a burner system 1 in longitudinal section, z. B. for use in gas turbines and / or in industrial heating devices such as industrial furnaces, with a combustion chamber 3 and a burner head 10. The combustion chamber 3 extends with a combustion chamber 6, which is here exemplarily defined by a cylindrical peripheral wall 4, axially along a Longitudinal axis L of the burner system 1 and radially rotationally symmetrical about the same. An end wall 2 delimiting the combustion chamber 3 is arranged on the inlet side of the combustion chamber 3 . On the outlet side, the combustion chamber 3 has an outlet 7 for the outlet of exhaust gases 8 .

Der Brennerkopf 10 umfasst einen Oxidatorverteilerraum 14 und zumindest einen (hier andeutungsweise dargestellten) Brennstoffverteilerraum 16 sowie eine Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung 18 zur Zugabe von Oxidator und Brennstoff in die Brennkammer 3.The burner head 10 comprises an oxidizer distributor chamber 14 and at least one fuel distributor chamber 16 (illustrated here) and an oxidizer/fuel supply device 18 for adding oxidizer and fuel to the combustion chamber 3.

Das Brennersystem 1 ist als rezirkulationsstabilisierter Strahlflammenbrenner zur unverdrallten Hochgeschwindigkeitsverbrennung ausgebildet. Bei dieser Gruppe von Brennersystemen werden im Betrieb die Frischgase Brennstoff 15 und/oder Oxidator 12 drallfrei mit einem derart hohen axialen Impuls in den Brennraum 6 eingebracht, dass sich im Brennraum 6 eine großräumige Rezirkulationszone 5 zur Stabilisierung einer Verbrennungszone ausbildet.The burner system 1 is designed as a recirculation-stabilized jet flame burner for non-twisted high-speed combustion. In this group of burner systems, the fresh gases fuel 15 and/or oxidizer 12 are introduced into the combustion chamber 6 without twisting with such a high axial momentum that a large-scale recirculation zone 5 is formed in the combustion chamber 6 to stabilize a combustion zone.

Als Oxidator 12 wird vorliegend die Gesamtheit aus dem eigentlichen Oxidationsmittel in der Verbrennungsreaktion, insbesondere Sauerstoff, und ggf. damit vermischtem Fluid bezeichnet. Beispielsweise ist Luft, reiner Sauerstoff oder ein Sauerstoff/Wasserdampf-Gemisch als Oxidator 12 verwendbar.In the present case, the entirety of the actual oxidizing agent in the combustion reaction, in particular oxygen, and any fluid mixed therewith is referred to as the oxidizer 12 . Air, pure oxygen or an oxygen/water vapor mixture can be used as the oxidizer 12, for example.

2A und 2B zeigen jeweils in einem perspektivischen 30°- Segment des Brennersystems 1 gemäß 1 den genaueren räumlichen Aufbau (2A mit Blickrichtung von der Brennkammer 3, 2B mit Blickrichtung von dem Oxidatorverteilerraum 14). Das Brennersystem 1 weist beispielhaft eine 12-fache Rotationssymmetrie auf, sodass Hauptcharakteristika, wie die zylindrische Brennkammer 3 und eine Düsenringanordnung 58 (vgl. auch 9A), aus dem 30°- Segment hervorgehen. 2A and 2 B each show a perspective 30° segment of the burner system 1 according to FIG 1 the more precise spatial structure ( 2A looking from the combustion chamber 3, 2 B looking from the oxidizer plenum 14). The burner system 1 has, for example, a 12-fold rotational symmetry, so that main characteristics, such as the cylindrical combustion chamber 3 and a nozzle ring arrangement 58 (cf. also 9A ), emerge from the 30° segment.

Für die unverdrallte Hochgeschwindigkeitsverbrennung ist die Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung 18 wie nachfolgend angegeben geeignet ausgebildet. Die Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung 18 weist beispielhaft zwölf auf einer Düsenringanordnung 58 konzentrisch um die Längsachse L angeordnete (vgl. 9A), Zufuhrdüsen 20 zur Zufuhr der Frischgase in die Brennkammer 3 auf. Die Zufuhrdüsen 20 erstrecken sich ausgehend von dem Oxiadatorverteilerraum 14 stromab eines Einströmbereichs 24 des Oxiadatorverteilerraums 14 (und/oder der Zufuhrdüse 20) und münden hier beispielhaft auf Höhe der Stirnwand 2 in die Brennkammer 3. Möglich ist auch eine axial über die Stirnwand 2 vorstehende, in den Brennraum 6 hineinragende Anordnung.For high velocity, non-swirled combustion, the oxidizer/fuel feeder 18 is suitably configured as follows. The oxidizer/fuel supply device 18 has, for example, twelve concentrically arranged around the longitudinal axis L on a nozzle ring arrangement 58 (cf. 9A ), Supply nozzles 20 for supplying the fresh gases into the combustion chamber 3. The feed nozzles 20 extend, starting from the oxidizer distributor chamber 14, downstream of an inflow region 24 of the oxidizer distributor chamber 14 (and/or the feed nozzle 20) and open here, for example, at the height of the front wall 2 into the combustion chamber 3. It is also possible to have a nozzle protruding axially over the front wall 2. in the combustion chamber 6 protruding arrangement.

Die hier beispielhaft in ihrer Grundform hohlzylindrischen Zufuhrdüsen 20 weisen jeweils eine Düsenwand 22 auf, die einen in seiner Grundform zylindrischen Düsenkanal 28 umgrenzt. Der stromauf an den Düsenkanal 28 angrenzende Einströmbereich 24 des Oxidatorverteilerraums 14 ist zur möglichst ablösefreien Strömungsführung mit kontinuierlichem Wandverlauf zwischen dem Oxidatorverteilerraum 14 und der Düsenwand 22, insbesondere gerundet, ausgebildet. Stromabseitig münden die Zufuhrdüsen 20 jeweils mit einem brennkammerseitigen Ausströmbereich 25 mit einer an den Brennraum 6 angrenzenden, kreisförmigen Ausströmöffnung 26 in dem Brennraum 6.The feed nozzles 20 , which are here, for example, hollow-cylindrical in their basic shape, each have a nozzle wall 22 that delimits a nozzle channel 28 that is cylindrical in its basic shape. The inflow region 24 of the oxidant distribution space 14 adjacent to the nozzle channel 28 upstream is designed with a continuous wall profile between the oxidant distribution space 14 and the nozzle wall 22, in particular rounded, for flow guidance that is as free as possible from detachment. On the downstream side, the supply nozzles 20 each open into the combustion chamber 6 with an outflow region 25 on the combustion chamber side with a circular outflow opening 26 adjoining the combustion chamber 6.

Die Düsenkanäle 28 der Zufuhrdüsen 20 sind jeweils entlang einer Düsenachse M ausgerichtet, wobei vorliegend die gesamten Längen der Düsenachsen M, d. h. die gesamten Düsenkanäle 28 mit ihren Düsenachsen M, parallel zur Längsachse L verlaufen.The nozzle channels 28 of the feed nozzles 20 are each aligned along a nozzle axis M, with the present case the entire lengths of the nozzle axes M, i. H. the entire nozzle channels 28 run parallel to the longitudinal axis L with their nozzle axes M.

Der Strömungsquerschnitt der Zufuhrdüsen 20 ist jeweils so ausgelegt, dass die axiale Geschwindigkeit der Hauptströmung des Fluids (Oxidator 12 und/oder Brennstoff 15), das im Betrieb (z. B. in einem Auslegung-Betriebspunkt) durch den Düsenkanal 28 strömt, an der Ausströmöffnung 26 zwischen 80 m/s und 250 m/s, insbesondere zwischen 90 m/s und 180 m/s, z. B. zwischen 100 m/s und 150 m/s, beträgt.The flow cross section of the feed nozzles 20 is designed in such a way that the axial velocity of the main flow of the fluid (oxidizer 12 and/or fuel 15) that flows through the nozzle channel 28 during operation (e.g. in a design operating point) at the Outflow opening 26 between 80 m/s and 250 m/s, in particular between 90 m/s and 180 m/s, e.g. B. between 100 m / s and 150 m / s.

Das erfindungsgemäße Brennersystem 1 ist hinsichtlich der Verbrennung hochreaktiver Brenngase, insbesondere Wasserstoff und/oder (hoch-)wasserstoffhaltiger Gase, als Brennstoff 15 optimiert. Die Reaktivität der Brenngase kann beispielsweise anhand einer (z. B. theoretisch abgeschätzten) Flammengeschwindigkeit und/oder einer (z. B. theoretisch abgeschätzten) Zündverzugszeit und/oder über Vorversuche klassifiziert sein. Zudem eignet sich die gezeigte Ausführungsform beispielhaft zur Verbrennung weiterer Brenngase unterschiedlicher Reaktivität, z. B. Erdgas (mit vergleichsweise geringer Reaktivität) und/oder Synthesegase z. B. mit einem geringeren Wasserstoffgehalt als das hochreaktive Brenngas (z. B. kleiner 40%, mit vergleichsweise mittlerer Reaktivität).The burner system 1 according to the invention is optimized as fuel 15 with regard to the combustion of highly reactive fuel gases, in particular hydrogen and/or gases containing (high) hydrogen. The reactivity of the combustion gases can be classified, for example, based on a (eg theoretically estimated) flame speed and/or an (eg theoretically estimated) ignition delay time and/or via preliminary tests. In addition, the embodiment shown is suitable, for example, for the combustion of other fuel gases of different reactivity, e.g. B. natural gas (with comparatively low reactivity) and / or synthesis gases z. B. with a lower hydrogen content than the highly reactive fuel gas (e.g. less than 40%, with comparatively medium reactivity).

Zum Zwecke der Verbrennung unterschiedlich reaktiver Brenngase weist das Brennersystem 1 gemäß 1 beispielhaft vier unterschiedliche Gruppen von Zuführöffnungen 36, 38, 40 und 42 auf (vgl. auch 2A und 2B). Einer Gruppe von Zuführöffnungen 36, 38, 40 und 42 sind z. B. jeweils solche Zuführöffnungen zugeordnet, die zumindest einen gemeinsamen Auslegungsparameter aufweisen, z. B. für bestimmte Brenngase ausgelegt sind, und/oder eine einander entsprechende Funktion erfüllen. Vorliegend ergeben sich gemeinsame Auslegungsparameter aus der Auslegung zur Zugabe bestimmter Brennstoffe 15, insbesondere einhergehend mit der Anordnung an jeweils gleichen axialen Positionen und/oder axialen Bereichen der Zuführöffnungen 36, 38, 40 und 42 einer jeweiligen Gruppe, und/oder Größen der Zuführöffnungen 36, 38, 40 und 42.For the purpose of burning differently reactive fuel gases, the burner system 1 according to FIG 1 For example, four different groups of feed openings 36, 38, 40 and 42 (cf. also 2A and 2 B ). A group of feed openings 36, 38, 40 and 42 are z. B. assigned to such feed openings that have at least one common design parameter, z. B. are designed for certain fuel gases, and / or fulfill a corresponding function. In the present case, common design parameters result from the design for the addition of certain fuels 15, in particular in connection with the arrangement at the same axial positions and/or axial areas of the feed openings 36, 38, 40 and 42 of a respective group, and/or sizes of the feed openings 36, 38, 40 and 42.

3A und 3B zeigen in einer perspektivischen Ansicht mit Blickrichtung von dem Brennraum 6 in beispielhaft eine der Zufuhrdüsen 20 die genaueren Ausbildungen der Gruppen der zweiten, dritten und vierten Zuführöffnungen 38, 40 und 42. 4A und 4B zeigen ergänzend in einer perspektivischen Ansicht mit Blickrichtung von dem Oxidatorverteilerraum 14 in die beispielhafte Zufuhrdüse 20 die genauere Ausbildung der ersten Zuführöffnungen 36. 3A and 3B show in a perspective view looking from the combustion chamber 6 in one of the feed nozzles 20 as an example, the more precise configurations of the groups of the second, third and fourth feed openings 38, 40 and 42. 4A and 4B additionally show, in a perspective view looking in the direction from the oxidizer distribution chamber 14 into the exemplary feed nozzle 20, the more precise design of the first feed openings 36.

Die Pfeile in bzw. an der Zufuhrdüse 20 symbolisieren die Strömungsführung des jeweiligen Brennstoffes 15 in die bzw. aus den Zuführöffnungen 36, 38, 40 und 42.The arrows in or on the feed nozzle 20 symbolize the flow guidance of the respective fuel 15 into or out of the feed openings 36, 38, 40 and 42.

Die einzelnen Zuführöffnungen 36, 38, 40 und 42 sind durch einzelne Zuführkanäle (hier nicht gezeigt) speisbar bzw. gespeist. Die Zuführkanäle sind jeweils ausgehend von dem Brennstoffverteilerraum 16 bzw. Brennstoffverteilerbereich (hier andeutungsweise gezeigt) radial von außen nach innen durch die Düsenwand 22 und/oder Injektorelemente 29 geführt.The individual feed openings 36, 38, 40 and 42 can be fed or are fed by individual feed channels (not shown here). Starting from the fuel distributor chamber 16 or fuel distributor area (shown here in outline), the feed channels are guided radially from the outside inward through the nozzle wall 22 and/or injector elements 29 .

Zur Brennstoffversorgung für die einzelnen Gruppen von Zuführöffnungen 36, 38, 40 und 42 mit unterschiedlichen Brennstoffen können unterschiedliche Brennstoffverteilerräume 16 vorhanden sein (hier nicht gezeigt). Dies ermöglicht eine separate Ansteuerung der jeweiligen Gruppen von Zuführöffnungen zur Zugabe unterschiedlicher Brennstoffe, auch von Brennstoffgemischen z. B. unter Einstellung unterschiedlicher Mischungsverhältnisse.Different fuel distribution chambers 16 can be present (not shown here) to supply fuel to the individual groups of feed openings 36, 38, 40 and 42 with different fuels. This allows a separate control of the respective groups of feed openings for adding different fuels, including fuel mixtures z. B. setting different mixing ratios.

Wie 3A, B und 4A, B zeigen, sind vorliegend beispielhaft die Gruppen der ersten, zweiten und vierten Zuführöffnungen 36, 38 und 42 gegenüber der Düsenwand 22 radial nach innen versetzt angeordnet, um die Einmischung des Brennstoffes in den Oxidator zu verbessern. Dazu sind die Zuführöffnungen 36, 38 und 42 jeweils an Injektorelementen 29 angeordnet, die sich von der zylindrischen Düsenwand 22 radial nach innen erstrecken.How 3A, B and 4A, B show, in the present example the groups of the first, second and fourth feed openings 36, 38 and 42 are arranged offset radially inwards with respect to the nozzle wall 22 in order to improve the mixing of the fuel into the oxidizer. For this purpose, the feed openings 36, 38 and 42 are each arranged on injector elements 29, which extend radially inwards from the cylindrical nozzle wall 22.

Die Injektorelemente 29 sind hier beispielhaft in Form von acht sich parallel zu der Düsenachse M längs durch die jeweilige Zufuhrdüse 20 erstreckenden Rippenelementen 30 ausgebildet, die z. B. einstückig an der Düsenwand 22 angeformt, an dieser befestigt und/oder stoffschlüssig mit dieser verbunden sind. In tangentialer Richtung (Umlaufrichtung) sind die acht Rippenelemente 30 äquidistant zueinander angeordnet. Die Rippenelemente 30 können z. B. zur Materialeinsparung und/oder Ausnutzung als Teil des Brennstoffverteilerraums 16 zumindest bereichsweise hohl ausgebildet sein und/oder darin verlaufende Zuführkanäle umfassen (hier nicht gezeigt).The injector elements 29 are here, for example, in the form of eight rib elements 30 that extend parallel to the nozzle axis M longitudinally through the respective feed nozzle 20. B. integrally formed on the nozzle wall 22, attached thereto and / or integrally connected thereto. The eight rib elements 30 are arranged equidistantly from one another in the tangential direction (direction of rotation). The rib elements 30 can, for. B. to save material and / or use as part of the fuel distributor space 16 at least partially hollow and / or include running supply channels therein (not shown here).

An jeweils einem Rippenelement 30 ist beispielhaft genau eine erste, eine zweite und eine vierte Zuführöffnung 36, 38 und 42 angeordnet, wobei diese Zuführöffnungen 36, 38 und 42 die gleiche tangentiale Position ausweisen.Exactly one first, one second and one fourth supply opening 36, 38 and 42 is arranged on each rib element 30, for example, with these supply openings 36, 38 and 42 having the same tangential position.

Die jeweiligen stromabseitigen Enden 44 der Rippenelemente 30 laufen jeweils in einer radialen Linie zur Bildung einer radial ausgerichteten Abschlusskante 46 innerhalb des Ausströmbereichs 25, insbesondere auf Höhe der Ausströmöffnung 26, aus (vgl. 3A und 3B). So können im Betrieb lokale Rückströmgebiete an den Rippenelementen 30 mit unerwünschter Flammenstabilisierung an der Zufuhrdüse 20 vermieden werden.The respective downstream ends 44 of the rib elements 30 each run out in a radial line to form a radially aligned closing edge 46 within the outflow region 25, in particular at the level of the outflow opening 26 (cf. 3A and 3B ). Thus, during operation, local backflow areas on the rib elements 30 with undesirable flame stabilization at the feed nozzle 20 can be avoided.

Die jeweiligen stromaufseitigen Enden 54 der Rippenelemente 30 sind stumpf, mit endseitigen Stirnflächen 56, ausgebildet (vgl. 4A und 4B). Die Stirnflächen 56 steigen für eine möglichst verwirbelungsarme und/oder druckverlustarme Strömungsführung in Hauptströmungsrichtung (insbesondere axialer Richtung) rampenartig in Strömungsrichtung zur vollen Rippenhöhe und -form an.The respective upstream ends 54 of the fin elements 30 are blunt, with end faces 56 (cf. 4A and 4B ). The end faces 56 rise in a ramp-like manner in the direction of flow to the full height and shape of the ribs in order to guide the flow in the main direction of flow (in particular the axial direction) with as little turbulence and/or pressure loss as possible.

Die Gruppe der vierten Zuführöffnungen 42 umfasst vorliegend beispielhaft acht Zuführöffnungen 42 auf vierten Zuführposition 43, die für die Zugabe hochreaktiver Brennstoffe ausgelegt (ausgebildet und/oder angeordnet) sind. Wie 3A und 3B zeigen, sind die Zuführöffnungen 42 an der Ausströmöffnung 26 mündend angeordnet (möglich wäre auch eine Mündung etwas zurückversetzt, z. B. um bis zu 5 mm, oder in den Brennraum 6 hineinragend), wobei sie sich auf Länge des Ausströmbereichs 25 in den Düsenkanal 28 hinein erstrecken. Der Ausströmbereich 25 ist als der axiale Bereich stromauf der Ausströmöffnung 26 definiert, über den sich die vierten Zuführöffnungen 42 erstrecken bzw. in dem sie angeordnet sind. Diese Art der Positionierung erlaubt im Betrieb eine Zugabe von hochreaktiven Brennstoffen (zumindest im Wesentlichen) ohne Vormischung von Brennstoff 15 und Oxidator 12 innerhalb der Zufuhrdüse 20 („nicht-vorgemischte Einbringung“). Die Durchmischung erfolgt stromab der Zufuhrdüse 20 im Brennraum 6. So wird Flammenrückschlag und/oder Selbstzündung innerhalb des Düsenkanals 28 vermieden, was wesentlich zur Sicherheit des Brennersystems 1 im Betrieb mit hochreaktiven Brennstoffen beiträgt.The group of fourth feed openings 42 includes, for example, eight feed openings 42 in the fourth feed position 43, which are designed (designed and/or arranged) for the addition of highly reactive fuels. How 3A and 3B show, the supply openings 42 are arranged to open out at the outflow opening 26 (an outflow opening would also be set back a little, e.g. by up to 5 mm, or protruding into the combustion chamber 6), whereby they extend along the length of the outflow area 25 into the nozzle channel 28 extend into it. The outflow area 25 is defined as the axial area upstream of the outflow opening 26 over which the fourth supply openings 42 extend or in which they are arranged. During operation, this type of positioning allows for the addition of highly reactive fuels (at least essentially) without premixing fuel 15 and oxidizer 12 within the feed nozzle 20 (“non-premixed introduction”). The mixing takes place downstream of the feed nozzle 20 in the combustion chamber 6. Flashback and/or self-ignition within the nozzle channel 28 is thus avoided, which contributes significantly to the safety of the burner system 1 when operating with highly reactive fuels.

Wie 3A und 3B zeigen, sind die vierten Zuführöffnungen 42 zur Einbringung des Brennstoffes 15 drallfrei, im Gleichstrom mit der Hauptströmungsrichtung des Oxidators 12 an den Rippenelementen 30 innerhalb des Ausströmbereichs 25 angeordnet. Die Zuführkanäle sind entsprechend durch die Düsenwand 22 und/oder innerhalb der Rippenelemente 30 geführt. So können im Betrieb lokale Rückströmgebiete an den Rippenelementen 30 mit unerwünschter Flammenstabilisierung an der Zufuhrdüse 20 vermieden werden.How 3A and 3B show, the fourth feed openings 42 for the introduction of the fuel 15 are twist-free, arranged in cocurrent with the main flow direction of the oxidizer 12 on the rib elements 30 within the outflow area 25 . The feed channels are routed accordingly through the nozzle wall 22 and/or within the rib elements 30 . In this way, local backflow areas on the rib elements 30 with undesirable flame stabilization on the feed nozzle 20 can be avoided during operation.

Die Gruppe der dritten Zuführöffnungen 40 umfasst vorliegend beispielhaft 24 Zuführöffnungen 40 auf einer dritten Zuführposition 41 und ist zur Zugabe eines Stützbrennstoffes mit vorzugsweise geringer oder mittlerer Reaktivität ausgelegt. Der Stützbrennstoff kann zumindest zeitweise (z. B. in Abhängigkeit des Betriebspunktes) zur Stabilisierung der Verbrennung insbesondere unter sehr mageren Bedingungen (bei hohen Luftzahlen) von Brennstoffen mit geringer und/oder mittlerer Reaktivität eingesetzt werden. Dabei wird ein geringer Anteil des jeweiligen Brennstoffes, neben der Zugabe über die ersten und/oder zweiten Zuführöffnungen 36, 38, über die dritten Zuführöffnungen 40 zugegeben. Die Zuführöffnungen 40 sind ringförmig in der Düsenwand 22 axial in dem Ausströmbereich 25 angeordnet, und somit etwa auf Höhe der vierten Zuführöffnungen 42, wobei sie etwas (z. B. bzgl. der stromabgelegenen Kante der Zuführöffnungen 40 um bis zu 5 mm, vorzugsweise um bis zu 1 mm oder 2 mm) stromauf der Ausströmöffnung 26 positioniert sind. So liegen die dritten Zuführöffnungen 40 möglichst nahe an der Ausströmöffnung 26, bei gleichzeitig ausreichender mechanischer Stabilität auch im Betrieb.The group of third feed openings 40 includes, for example, 24 feed openings 40 at a third feed position 41 and is designed for the addition of a support fuel with preferably low or medium reactivity. The auxiliary fuel can be used at least temporarily (e.g. depending on the operating point) to stabilize the combustion of fuels with low and/or medium reactivity, particularly under very lean conditions (at high air ratios). In this case, a small proportion of the respective fuel is added via the third feed openings 40 in addition to being added via the first and/or second feed openings 36 , 38 . The feed openings 40 are arranged annularly in the nozzle wall 22 axially in the outflow area 25, and thus approximately at the level of the fourth feed openings 42, whereby they are slightly (e.g. with respect to the downstream edge of the feed openings 40 by up to 5 mm, preferably by up to 1 mm or 2 mm) upstream of the outflow opening 26 are positioned. Thus, the third supply openings 40 are as close as possible to the outflow opening 26, while at the same time having sufficient mechanical stability even during operation.

Die dritten Zuführöffnungen 40 sind zusammen mit ihren durch die Düsenwand 22 führenden, jeweiligen Zuführkanäle (hier nicht dargestellt) zur Eindüsung des Brennstoffes drallfrei quer (ausschließlich radial, möglich ist auch mit einer zusätzlichen axialen Richtungskomponente) zur Hauptströmungsrichtung ausgebildet.The third supply openings 40 are formed together with their respective supply channels (not shown here) leading through the nozzle wall 22 for injecting the fuel without twisting transversely (exclusively radially, it is also possible with an additional axial directional component) to the main flow direction.

Die Gruppe der ersten Zuführöffnungen 36 umfasst vorliegend beispielhaft acht Zuführöffnungen 36 auf einer ersten Zuführposition 37. Die Zuführöffnungen 36 sind zur (zumindest teilweisen) Vormischung von Brennstoff 15 und Oxidator 12 innerhalb des Düsenkanals 28 stromauf der dritten bzw. vierten Zuführposition 41, 43 angeordnet. Die ersten Zuführöffnungen 36 sind zur Zugabe von Brennstoffen mit im Vergleich zu hochreaktiven Brennstoffen geringer Reaktivität, z. B. Kohlenwasserstoffen, auch Gemischen davon, wie Erdgas, ausgelegt. Die erste Zuführposition 37 liegt z. B. möglichst nahe an dem Einströmbereich 24, jedoch derart stromab, dass im Betrieb Einlaufeffekte der Oxidatorströmung in den Düsenkanal 28 zumindest im Wesentlichen abgeklungen sind. Der Abstand zu der Ausströmöffnung 26 ist unter Berücksichtigung zumindest einer Zündverzugszeit eines (Auslegungs-) Brennstoffes geringer Reaktivität derart ausgelegt, dass es bei der Durchmischung von Brennstoff und Oxidator innerhalb der Zufuhrdüse 20 nicht zu einer Zündung innerhalb des Düsenkanals 28 kommt. Vorliegend liegt die erste Zuführposition 37 beispielhaft im am weitesten stromaufgelegenen axialen Viertel der Zufuhrdüse 20.The group of first feed openings 36 includes, for example, eight feed openings 36 in a first feed position 37. The feed openings 36 are arranged for (at least partial) premixing of fuel 15 and oxidizer 12 within the nozzle channel 28 upstream of the third and fourth feed position 41, 43. The first feed openings 36 are for the addition of fuels with compared to highly reactive fuels low reactivity, z. B. hydrocarbons, and mixtures thereof, such as natural gas designed. The first feed position 37 is z. B. as close as possible to the inflow region 24, but downstream in such a way that inflow effects of the oxidant flow into the nozzle channel 28 have at least essentially subsided during operation. The distance to the outflow opening 26 is designed, taking into account at least one ignition delay time of a (design) fuel of low reactivity, such that the mixing of fuel and oxidizer within the feed nozzle 20 does not lead to ignition within the nozzle channel 28. In the present case, the first feed position 37 is, for example, in the furthest upstream axial quarter of the feed nozzle 20.

Die ersten Zuführöffnungen 36 sind in den Stirnflächen 56 angeordnet (vgl. auch 4A, B). Die ersten Zuführöffnungen 36 sind zusammen mit ihren Zuführkanälen derart ausgerichtet, dass der Brennstoff drallfrei gegen die Hauptströmung des Oxidators in den Düsenkanal 28 eingebracht wird. Der Brennstoff 15 wird im Betrieb durch die Hauptströmung umgebogen, wodurch eine gute Einmischung des Brennstoffes 15 in den Oxidator 12 erreichbar ist.The first feed openings 36 are arranged in the end faces 56 (cf. also 4A, B ). The first feed openings 36 are aligned together with their feed channels in such a way that the fuel is introduced into the nozzle channel 28 against the main flow of the oxidizer without twisting. During operation, the fuel 15 is bent by the main flow, as a result of which good mixing of the fuel 15 into the oxidizer 12 can be achieved.

Die Gruppe der zweiten Zuführöffnungen 38 umfasst vorliegend beispielhaft acht Zuführöffnungen 38 auf einer zweiten Zuführposition 39 zwischen der ersten Zuführposition 37 und der dritten bzw. vierten Zuführposition 41, 43, zur (zumindest teilweisen) Vormischung von Brennstoff 15 und Oxidator 12 innerhalb des Düsenkanals 28. Die zweiten Zuführöffnungen 38 sind zur Zugabe von Brennstoffen mit mittlerer Reaktivität, zwischen der Reaktivität hochreaktiver Brennstoffe und solche mit geringer Reaktivität, ausgelegt. Der Abstand zu der Ausströmöffnung 26 ist unter Berücksichtigung zumindest einer Zündverzugszeit eines (z. B. Auslegungs-)Brennstoffes derart gelegt, dass es bei der Durchmischung von Brennstoff 15 und Oxidator 12 innerhalb der Zufuhrdüse 20 nicht zu einer Zündung innerhalb des Düsenkanals 28 kommt. Vorliegend liegt die zweite Zuführposition 39 beispielhaft im mittleren axialen Drittel und/oder der stromab gelegenen Hälfte der Zufuhrdüse 20.The group of second feed openings 38 includes, for example, eight feed openings 38 in a second feed position 39 between the first feed position 37 and the third or fourth feed position 41, 43, for (at least partial) premixing of fuel 15 and oxidizer 12 within the nozzle channel 28. The second feed openings 38 are designed for the addition of fuels with medium reactivity, between the reactivity of highly reactive fuels and those with low reactivity. The distance to the outflow opening 26 is set taking into account at least one ignition delay time of a (e.g. design) fuel such that when fuel 15 and oxidizer 12 are mixed within the supply nozzle 20, ignition within the nozzle channel 28 does not occur. In the present case, the second feed position 39 is, for example, in the middle axial third and/or the downstream half of the feed nozzle 20.

Die zweiten Zuführöffnungen 38 sind zusammen mit ihren jeweiligen Zuführkanälen (hier nicht ersichtlich) derart ausgerichtet, dass der Brennstoff drallfrei quer zur Hauptströmungsrichtung (ausschließlich radial, möglich ist auch mit einer zusätzlichen axialen Richtungskomponente) in den Düsenkanal 28 eingebracht wird, was ebenfalls einer guten Einmischung zuträglich ist.The second feed openings 38 are aligned together with their respective feed channels (not visible here) in such a way that the fuel is introduced into the nozzle channel 28 without twisting transversely to the main flow direction (exclusively radially, is also possible with an additional axial directional component), which also ensures good mixing is beneficial.

In 6A bis 6D sind die Anordnung der Zuführöffnungen 36, 38, 40 und 42 an den radial nach innen gerichteten Rippenelementen 30 und/oder in der Düsenwand 22 in Querschnittsansichten dargestellt, wobei die Querschnitts-Positionen in 5 bezeichnet sind.In 6A until 6D the arrangement of the feed openings 36, 38, 40 and 42 on the radially inwardly directed rib elements 30 and/or in the nozzle wall 22 are shown in cross-sectional views, with the cross-sectional positions in 5 are designated.

6A und 6B zeigen jeweils die an radialen Oberseiten 50, genauer an den Stirnflächen 56 angeordneten ersten Zuführöffnungen 36 zur Einbringungen des Brennstoffes gegen die Hauptströmungsrichtung. 6A and 6B each show the first feed openings 36 arranged on the radial upper sides 50, more precisely on the end faces 56, for introducing the fuel against the main flow direction.

6C zeigt die an den radialen Oberseiten 50 angeordneten zweiten Zuführöffnungen 38 zur Einbringungen des Brennstoffes radial in Richtung der Düsenachse M, quer zur Hauptströmungsrichtung. 6C shows the second feed openings 38 arranged on the radial upper sides 50 for introducing the fuel radially in the direction of the nozzle axis M, transverse to the main flow direction.

6D zeigt die dritten und die vierten Zuführöffnungen 40, 42 im Ausströmbereich 25. Die dritten Zuführöffnungen 40 sind umlaufend in Ringanordnung radial in die Düsenwand 22 eingebracht, zur Einbringungen des Brennstoffes 15 radial zur Düsenachse M hin, quer zur Hauptströmungsrichtung. Dabei sind vorliegend von den beispielhaft insgesamt 24 dritten Zuführöffnungen 40 jeweils drei zwischen zwei Rippenelementen 30 angeordnet. 6D shows the third and the fourth feed openings 40, 42 in the outflow area 25. The third feed openings 40 are introduced circumferentially in a ring arrangement radially into the nozzle wall 22 for introducing the fuel 15 radially to the nozzle axis M, transverse to the main flow direction. In the present example, three of the total of 24 third feed openings 40 are arranged between two rib elements 30 .

Die vierten Zuführöffnungen 42 sind zur Einbringung des Brennstoffes 15 zumindest im Wesentlichen im Gleichstrom in axiale Richtung weisend angeordnet.The fourth feed openings 42 are arranged pointing in the axial direction at least essentially in co-current for the introduction of the fuel 15 .

Wie 6A bis 6D erkennen lassen, sind beispielhaft zwei Gruppen von Rippenelementen 30 mit jeweils vier gleichartigen Rippenelementen 30 vorhanden, die umlaufend im Wechsel zueinander und bezüglich der Düsenachse M rotationssymmetrisch angeordnet sind. Die Gruppen der Rippenelemente 30 unterscheiden sich in ihren radialen Höhen.How 6A until 6D can be seen, for example, two groups of rib elements 30 are present, each with four similar rib elements 30, which are arranged circumferentially alternating with one another and with respect to the nozzle axis M in a rotationally symmetrical manner. The groups of rib elements 30 differ in their radial heights.

7 zeigt in einer Draufsicht in die Zufuhrdüse 20 die genauere Ausbildung der Rippenelemente 30 im Profil. Wie in 7 erkennbar, umfasst eine Gruppe niedrige Rippenelemente 32 mit einer radialen Höhe H1 und die andere Gruppe hohe Rippenelemente 34 mit einer radialen Höhe H2. Die Höhe H1 beträgt beispielsweise weniger als der halbe Radius der Zufuhrdüse 20. Die Höhe H2 beträgt beispielsweise mehr als der halbe Radius und/oder weniger als zwei Drittel des Radius der Zufuhrdüse 20. Die Höhe H1 beträgt beispielsweise einen Faktor zwischen 0,3 und 0,6 der Höhe H2. Durch diese Ausbildung und Anordnung lässt sich der Brennstoff auf unterschiedlichen radialen Höhen symmetrisch in den Oxidator 12 einbringen, wodurch eine gleichmäßigere Verteilung einhergehend mit einer besseren Durchmischung innerhalb der Oxidatorströmung erreichbar ist als bei einer Anordnung auf gleicher Höhe. 7 shows a plan view of the feed nozzle 20 showing the more precise formation of the rib elements 30 in profile. As in 7 As can be seen, one group comprises low rib elements 32 with a radial height H 1 and the other group comprises high rib elements 34 with a radial height H 2 . The height H 1 is, for example, less than half the radius of the feed nozzle 20. The height H 2 is, for example, more than half the radius and/or less than two thirds of the radius of the feed nozzle 20. The height H 1 is, for example, a factor between 0, 3 and 0.6 of the height H 2 . This design and arrangement allows the fuel to be introduced symmetrically into the oxidizer 12 at different radial heights, as a result of which a more uniform distribution accompanied by better mixing within the oxidizer flow can be achieved than with an arrangement at the same height.

Die ersten Zuführöffnungen 36 und die zweiten Zuführöffnungen 38 sind z. B. auf den Höhen H1 und/oder H2 an radialen Oberseiten 50 der Rippenelemente 30 angeordnet. Die vierten Zuführöffnungen 42 grenzen z. B. mit ihren radial am weitesten innenliegenden Kanten etwa an die Höhen H1 und/oder H2 an, wobei sie z. B. eine Wandstärke unterhalb derselben angeordnet sind.The first feed openings 36 and the second feed openings 38 are z. B. at the heights H 1 and / or H 2 on radial tops 50 of the rib elements 30 are arranged. The fourth feed openings 42 border z. B. with their radially innermost edges approximately at the heights H 1 and / or H 2 , where they z. B. are arranged a wall thickness below the same.

Die Rippenelemente 30 sind radial über die Höhen H1, H2 sich zur Düsenachse M hin verbreiternd ausgebildet. Bei den niedrigen Rippen 32 entfernen sich Seitenwände 48 ausgehend von einer Rippenbasis 52 zu den radialen Oberseiten 50 der jeweiligen Rippenelemente 30 voneinander, sodass ein trapezartiger Querschnitt entsteht. Bei den hohen Rippen 34 ist die Rippenbasis 52 zur Stabilisierung zunächst breit gehalten, beispielsweise in ihrer tangentialen Ausdehnung in etwa entsprechend der radialen Oberseite 50. Davon ausgehend verlaufen die Seitenwände 48 konkav geschwungen zueinander und entfernen sich hin zu der radialen Oberseite 50 wieder voneinander. Bei beiden Gruppen können die Übergänge von den Seitenwänden 48 zu der radialen Oberseite 50 strömungsgünstig gerundet ausgeführt sein. Durch diese Ausbildung wird bei vergleichsweise geringem Strömungswiderstand Raum für die Anordnung von Zuführöffnungen 42 und/oder zugeordneten Zuführkanälen innerhalb der Rippenelemente 30 geschaffen.The rib elements 30 are designed to widen radially over the heights H 1 , H 2 towards the nozzle axis M. In the case of the low ribs 32, sidewalls 48 diverge from one another starting from a rib base 52 towards the radial tops 50 of the respective rib elements 30, so that a trapezoidal cross section is formed. In the case of the high ribs 34, the rib base 52 is initially kept wide for stabilization, for example in its tangential extension approximately corresponding to the radial upper side 50. Starting therefrom, the side walls 48 curve concavely towards one another and move away from one another towards the radial upper side 50 again. In both groups, the transitions from the side walls 48 to the radial upper side 50 can be rounded in a streamlined manner. Through this training, Comparatively low flow resistance created space for the arrangement of feed openings 42 and / or associated feed channels within the rib elements 30.

8A und 8B zeigen genauer den axialen Verlauf der Rippenelemente 30 mit den niedrigen Rippen 32 und der hohen Rippen 34. Die niedrigen Rippen 32 und die hohen Rippen 34 verlaufen über den gleichen axialen Bereich. Abgesehen von dem stromaufseitigen Ende 54 und dem stromabseitigen Ende 44 weisen die Rippenelemente 30 über ihren axialen Verlauf eine konstante Querschnittsform auf, mit konstanten Höhen H1 bzw. H2. Die jeweiligen stromaufseitigen Enden 54 der Rippenelemente 30 liegen stromab des Einströmbereiches 24, derart, dass die Zuführposition 37 an der Stirnfläche 56 angeordnet ist. Vorliegend beginnen die Rippenelemente 30 mit den stromaufseitigen Enden 54 im stromaufgelegenen axialen Viertel und/oder Drittel der Zufuhrdüse 20, an oder etwas (z. B. um bis zu 3 mm oder 5 mm) stromauf der ersten Zuführposition 37. Die Stirnflächen 56 der niedrigen Rippen 32 und der hohen Rippen 34 erreichen beispielhaft volle Rippenhöhen H1, H2 an einer einheitlichen axialen Position, sodass sich die Steigungen der Stirnflächen 56 mit Winkeln α1, α2 bezüglich der Düsenachse M unterscheiden, wobei sie beispielsweise bis zu 60° betragen. Aufgrund der unterschiedlichen Steigungen der Stirnflächen 56 können die Zufuhrpositionen 37 an den niedrigen Rippen 32 und den hohen Rippen 34 etwas (z. B. um bis zu 1 mm oder 2 mm) voneinander abweichen (vgl. auch 5). 8A and 8B 12 show in more detail the axial extent of the rib members 30 with the low ribs 32 and the high ribs 34. The low ribs 32 and the high ribs 34 extend over the same axial region. Apart from the upstream end 54 and the downstream end 44, the fin elements 30 have a constant cross-sectional shape along their axial extent, with constant heights H 1 and H 2 , respectively. The respective upstream ends 54 of the rib elements 30 are located downstream of the inflow region 24 in such a way that the feed position 37 is arranged on the end face 56 . Here, the rib members 30 begin with the upstream ends 54 in the upstream axial quarter and/or third of the feed nozzle 20, at or slightly (e.g., by up to 3mm or 5mm) upstream of the first feed position 37. The end faces 56 of the low Ribs 32 and the high ribs 34 achieve, for example, full rib heights H 1 , H 2 at a uniform axial position, so that the gradients of the end faces 56 differ at angles α 1 , α 2 with respect to the nozzle axis M, being up to 60°, for example . Due to the different gradients of the end faces 56, the feed positions 37 on the low ribs 32 and the high ribs 34 can deviate slightly from one another (e.g. by up to 1 mm or 2 mm) (cf. also 5 ).

Zur Fertigung der Zufuhrdüsen 20, der Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung 18 und/oder des Brennerkopfes 10 gemäß 1 bis 8 eignet sich insbesondere ein 3D-Druckverfahren.According to FIG 1 until 8th A 3D printing process is particularly suitable.

9A bis 9D zeigen beispielhafte Anordnungen mehrerer Zufuhrdüsen 20 an der Stirnwand 2. In 9A und 9B sind jeweils 12 Zufuhrdüsen 20 in einer konzentrisch um die Längsachse L angeordneten Düsenringanordnung 58 vorhanden. Die Zufuhrdüsen 20 münden jeweils im radialen äußeren Drittel bzw. Viertel an der Stirnwand 2. 9A until 9D show exemplary arrangements of several feed nozzles 20 on the end wall 2. In 9A and 9B 12 feed nozzles 20 are present in a nozzle ring arrangement 58 arranged concentrically around the longitudinal axis L. The feed nozzles 20 each open out in the radially outer third or quarter on the end wall 2.

9A zeigt die Stirnwand 2 zur Verwendung bei einem Brennersystem 1 mit einer zylindrischen Brennkammer 3. 9B zeigt die Stirnwand 2 zur Verwendung bei einem Brennersystem 1 mit einer Brennkammer 3 in Form einer Ringbrennkammer. 9A shows the end wall 2 for use in a burner system 1 with a cylindrical combustion chamber 3. 9B shows the end wall 2 for use in a burner system 1 with a combustion chamber 3 in the form of an annular combustion chamber.

In 9C und 9D sind die Zufuhrdüsen 20 radial versetzt zueinander in einer Matrixanordnung 60 angeordnet. Dabei sind beispielhaft zu der äußeren Düsenringanordnung 58 mit jeweils 12 Zufuhrdüsen 20 jeweils radial innen liegend weitere Zufuhrdüsen 20 vorhanden. In 9C sind dies beispielhaft vier innen liegende Zufuhrdüsen 20, die jeweils einen etwas größeren Durchmesser des zylindrischen Düsenkanals 28 aufweisen. In 9D sind dies beispielhaft 12 radial innenliegende Zufuhrdüsen 20, die ihrerseits eine Düsenringanordnung 58 bilden und die einen geringeren Durchmesser der kreisförmigen Ausströmöffnungen 26 aufweisen.In 9C and 9D the feed nozzles 20 are arranged radially offset from one another in a matrix arrangement 60 . For example, in addition to the outer nozzle ring arrangement 58 with 12 feed nozzles 20 each, there are further feed nozzles 20 each lying radially on the inside. In 9C these are, for example, four internal supply nozzles 20, each of which has a somewhat larger diameter of the cylindrical nozzle channel 28. In 9D these are, for example, 12 radially inner supply nozzles 20, which in turn form a nozzle ring arrangement 58 and which have a smaller diameter of the circular outflow openings 26.

Für Voruntersuchungen wurde das in 1 bis 8 gezeigte beispielhafte Brennersystem 1 für einen Betriebspunkt mit einer thermischen Leistung von 1,3 MW bei einem Druck von 8 bar ausgelegt. Die Länge der Zuführdüsen beträgt dabei zwischen 2 und 7 mal, insbesondere zwischen 3 und 5 mal dem Durchmesser, bei der gezeigten Variante beispielhaft zwischen 30 mm und 50 mm, insbesondere zwischen 35 mm und 45 mm. Der Durchmesser des Düsenkanals 28 beträgt beispielsweise zwischen 13 mm und 14 mm. Möglich ist eine Skalierung der Abmaße zum Einsatz hin zu kleineren oder größeren Druck- und/oder Leistungsbereichen, abhängig von einer gewünschten Variation der Betriebsbedingungen.For preliminary investigations, the 1 until 8th shown exemplary burner system 1 designed for an operating point with a thermal output of 1.3 MW at a pressure of 8 bar. The length of the feed nozzles is between 2 and 7 times, in particular between 3 and 5 times the diameter, in the variant shown for example between 30 mm and 50 mm, in particular between 35 mm and 45 mm. The diameter of the nozzle channel 28 is between 13 mm and 14 mm, for example. It is possible to scale the dimensions for use towards smaller or larger pressure and/or power ranges, depending on a desired variation in the operating conditions.

Numerische Voruntersuchungen wurden bei einem Druck von 8 bar, einer Vorwärmtemperatur des Oxidators 12 von 400 °C und einer thermischen Leistung von 1,3 MW durchgeführt. Verwendet wurde Wasserstoff als Brennstoff 15 mit unterschiedlichen Kombinationen von Oxidatorzusammensetzungen (Luft und/oder Sauerstoff-/Wasserdampfgemische). Die Luftzahlen lagen zwischen 1 und 4.Numerical preliminary investigations were carried out at a pressure of 8 bar, a preheating temperature of the oxidizer 12 of 400° C. and a thermal output of 1.3 MW. Hydrogen was used as fuel 15 with different combinations of oxidizer compositions (air and/or oxygen/water vapor mixtures). The air numbers were between 1 and 4.

Bei den Voruntersuchungen wies das erfindungsgemäße Brennersystem 1 über relevante Betriebsbereiche einen vergleichsweise geringen Druckverlust über den Brennerkopf 10 auf. Die so ermöglichte hohe Geschwindigkeit der Hauptströmung (des Oxidators 12 und/oder Brennstoffes 15) von mehr als 100 m/s, z. B. bis zu 250 m/s, resultiert in einer starken Verwirbelung bzw. Rezirkulation, verbunden mit einer guten Durchmischung von Brennstoff 15 und Oxidator 12 in dem Brennraum 6, was mit einer vorteilhaften, guten Stabilisierung der Flamme im Betrieb einhergeht.In the preliminary investigations, the burner system 1 according to the invention showed a comparatively low pressure drop across the burner head 10 over relevant operating ranges. The high speed of the main flow (of the oxidizer 12 and/or fuel 15) of more than 100 m/s, e.g. B. up to 250 m / s, results in a strong turbulence or recirculation, combined with a good mixing of fuel 15 and oxidizer 12 in the combustion chamber 6, which is accompanied by an advantageous, good stabilization of the flame during operation.

Zusammenfassend lässt sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung ein hinsichtlich Effizienz, Stabilität und Schadstoffemissionen vorteilhaftes Brennersystem 1 zur Verbrennung zumindest hochreaktiver Brennstoffe bereitstellen.In summary, the design according to the invention makes it possible to provide a burner system 1 that is advantageous in terms of efficiency, stability and pollutant emissions for the combustion of at least highly reactive fuels.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 1918641 A2 [0002]EP 1918641 A2 [0002]
  • EP 1497589 B1 [0003]EP 1497589 B1 [0003]

Claims (30)

Brennersystem (1) zur Erzeugung von Heißgas, insbesondere zum Einsatz in Gasturbinen, mit einer Brennkammer (3), die einen bezüglich einer Längsachse (L) ausgerichteten Brennraum (6) umfasst, und mit einem Brennerkopf (4) mit zumindest einer Oxidator-/Brennstoffzufuhranordnung (18), umfassend zumindest eine Zufuhrdüse (20) zur drallfreien Zufuhr von Oxidator und/oder Brennstoff in die Brennkammer (3), wobei die Zufuhrdüse (20) einen sich entlang einer Düsenachse (M) erstreckenden, von einer Düsenwand (22) umgrenzten Düsenkanal (28) aufweist, der mit einer brennkammerseitigen Ausströmöffnung (26) in den Brennraum (6) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung (18) in dem Düsenkanal (28) eine Gruppe umfassend mindestens zwei Zuführöffnungen (42) zur Zufuhr von Brennstoff in den Oxidator an einer vierten axialen Zuführposition (43) innerhalb eines in die Ausströmöffnung (26) mündenden Ausströmbereichs (25) des Düsenkanals (28) aufweist.Burner system (1) for generating hot gas, in particular for use in gas turbines, with a combustion chamber (3) which comprises a combustion space (6) aligned with respect to a longitudinal axis (L), and with a burner head (4) with at least one oxidizer/ Fuel supply arrangement (18), comprising at least one supply nozzle (20) for the swirl-free supply of oxidizer and/or fuel into the combustion chamber (3), the supply nozzle (20) having a nozzle wall (22) extending along a nozzle axis (M). delimited nozzle channel (28) which opens into the combustion chamber (6) with an outflow opening (26) on the combustion chamber side, characterized in that the oxidizer/fuel supply device (18) in the nozzle channel (28) comprises a group comprising at least two supply openings (42) for feeding fuel into the oxidizer at a fourth axial feed position (43) within an outflow area (25) of the nozzle channel (28) opening into the outflow opening (26). Brennersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vierten Zuführöffnungen (42) zur Zugabe des Brennstoffes zumindest im Wesentlichen im Gleichstrom mit der Hauptströmungsrichtung des Oxidators innerhalb des Ausströmbereiches (25) ausgebildet sind.Burner system (1) according to claim 1 , characterized in that the fourth supply openings (42) for adding the fuel are formed at least substantially in cocurrent with the main flow direction of the oxidizer within the outflow area (25). Brennersystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vierten Zuführöffnungen (42) zur Zufuhr hochreaktiver, insbesondere hoch-wasserstoffhaltiger, Brennstoffe ausgelegt sind.Burner system (1) according to claim 1 or 2 , characterized in that the fourth supply openings (42) are designed for supplying highly reactive fuels, in particular fuels with a high hydrogen content. Brennersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung (18) innerhalb der Zufuhrdüse (20) zumindest eine erste Zuführöffnung (36), vorzugsweise eine Gruppe umfassend mindestens zwei derselben, aufweist, die innerhalb des Düsenkanals (28) zur Zufuhr von Brennstoff in den Oxidator an einer ersten axialen Zuführposition (37) stromauf der vierten axialen Zuführposition (43) angeordnet ist.Burner system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the oxidizer/fuel supply device (18) within the supply nozzle (20) has at least one first supply opening (36), preferably a group comprising at least two of them, which is located within the nozzle channel (28) for feeding fuel into the oxidizer at a first axial feed position (37) upstream of the fourth axial feed position (43). Brennersystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine erste Zuführposition (36) mindestens 10 mm stromauf der Ausströmöffnung (26), z. B. im am weitesten stromaufgelegenen axialen Drittel, insbesondere im am weitesten stromaufgelegenen axialen Viertel, der Zufuhrdüse (20), angeordnet ist.Burner system (1) according to claim 4 , characterized in that the at least one first feed position (36) at least 10 mm upstream of the outflow opening (26), z. B. in the most upstream axial third, in particular in the most upstream axial quarter, of the feed nozzle (20) is arranged. Brennersystem (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine erste Zuführöffnung (36) zur Zufuhr von Brennstoffen mit vergleichsweise geringer Reaktivität, insbesondere von Erdgas, ausgelegt ist.Burner system (1) according to claim 4 or 5 , characterized in that the at least one first supply opening (36) is designed for supplying fuels with comparatively low reactivity, in particular natural gas. Brennersystem (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine erste Zuführöffnung (36) zur Zugabe des Brennstoffes zumindest im Wesentlichen gegen die Hauptströmungsrichtung des Oxidators und/oder in einem Querstrom zur Hauptströmungsrichtung des Oxidators innerhalb des Düsenkanals (28) ausgebildet ist.Burner system (1) according to one of Claims 4 until 6 , characterized in that at least one first supply opening (36) for adding the fuel is formed at least essentially against the main flow direction of the oxidizer and/or in a cross-flow to the main flow direction of the oxidizer within the nozzle channel (28). Brennersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung (18) innerhalb der Zufuhrdüse (20) zumindest eine zweite Zuführöffnung (38), vorzugsweise eine Gruppe umfassend mindestens zwei derselben, aufweist, die innerhalb des Düsenkanals (28) zur Zufuhr von Brennstoff in den Oxidator an einer zweiten axialen Zuführposition (39) stromauf der vierten axialen Zuführposition (43) und, gegebenenfalls, stromab der ersten axialen Zuführposition (37), angeordnet ist.Burner system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the oxidizer/fuel supply device (18) within the supply nozzle (20) has at least one second supply opening (38), preferably a group comprising at least two of them, which are located within the nozzle channel (28) arranged to feed fuel into the oxidizer at a second axial feed position (39) upstream of the fourth axial feed position (43) and, optionally, downstream of the first axial feed position (37). Brennersystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine zweite Zuführposition (39) mindestens 5 mm stromauf der Ausströmöffnung (26), z. B. im mittleren axialen Drittel und/oder der stromab gelegenen Hälfte der Zufuhrdüse (20), angeordnet ist.Burner system (1) according to claim 8 , characterized in that the at least one second feed position (39) at least 5 mm upstream of the outflow opening (26), z. B. in the middle axial third and / or the downstream half of the feed nozzle (20) is arranged. Brennersystem (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine zweite Zuführöffnung (38) zur Zufuhr von Brennstoffen mit mittlerer Reaktivität, insbesondere wasserstoffhaltiger, Brennstoffe ausgelegt ist.Burner system (1) according to claim 8 or 9 , characterized in that the at least one second feed opening (38) is designed for the supply of fuels with medium reactivity, in particular fuels containing hydrogen. Brennersystem (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine zweite Zuführöffnung (38) zur Zugabe des Brennstoffes in einem Querstrom zur Hauptströmungsrichtung des Oxidators innerhalb des Düsenkanals (28) ausgebildet ist.Burner system (1) according to one of Claims 8 until 10 , characterized in that the at least one second supply opening (38) for adding the fuel is formed in a cross flow to the main flow direction of the oxidizer within the nozzle channel (28). Brennersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung (18) innerhalb der Zufuhrdüse (20) zumindest eine dritte Zuführöffnung (40), vorzugsweise eine Gruppe umfassend mindestens zwei derselben, aufweist, die innerhalb des Düsenkanals (28) zur Zufuhr von Brennstoff in den Oxidator an einer dritten axialen Zuführposition (41), ggf. stromab der ersten Zuführposition (37) und/oder der zweiten Zuführposition (39), insbesondere innerhalb des Ausströmbereichs (25), angeordnet ist.Burner system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the oxidizer/fuel supply device (18) within the supply nozzle (20) has at least one third supply opening (40), preferably a group comprising at least two of them, which are located within the nozzle channel (28) for feeding fuel into the oxidizer at a third axial feed position (41), possibly downstream of the first feed position (37) and/or the second feed position (39), in particular within the outflow area (25). Brennersystem (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine dritte Zuführöffnung (40) zur Zufuhr eines Stützbrennstoffes, insbesondere eines Brennstoffes mit geringer oder mittlerer Reaktivität, ausgelegt ist.Burner system (1) according to claim 12 , characterized in that the at least one third supply opening (40) for supplying a support fuel, in particular a fuel with low or medium reactivity, is designed. Brennersystem (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine dritte Zuführöffnung (40) zur Zugabe des Brennstoffes zumindest im Wesentlichen in einem Querstrom zur Hauptströmungsrichtung des Oxidators innerhalb des Ausströmbereichs (25) ausgebildet ist.Burner system (1) according to claim 12 or 13 , characterized in that the at least one third supply opening (40) for adding the fuel is formed at least essentially in a cross flow to the main flow direction of the oxidizer within the outflow area (25). Brennersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einer der Gruppen der ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Zufuhröffnungen (36, 38, 40, 42) die Zufuhröffnungen (36, 38, 40, 42) jeweils am stromabseitigen Ende separater Zuführkanäle angeordnet sind, die jeweils von außen nach innen durch die Düsenwand (22) geführt sind.Burner system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least in one of the groups of the first, second, third and/or fourth supply openings (36, 38, 40, 42) the supply openings (36, 38, 40, 42) are each arranged at the downstream end of separate feed channels, which are each guided from the outside to the inside through the nozzle wall (22). Brennersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Brennstoffverteilerräume (16), zur separaten Versorgung der ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Gruppe von Zuführöffnungen (36, 38, 40, 42), vorhanden sind, von denen jeweils die Zuführkanäle ausgehen, die den jeweiligen Zufuhröffnungen (36, 38, 40, 42) zugeordnet sind.Burner system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of fuel distributor chambers (16) are present for the separate supply of the first, second, third and/or fourth group of feed openings (36, 38, 40, 42). each of which the feed channels go out, which are assigned to the respective feed openings (36, 38, 40, 42). Brennersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest innerhalb einer Gruppe, vorzugsweise innerhalb jeder Gruppe, mehrere Zuführöffnungen (36, 38, 40, 42) vorhanden sind, die bezüglich der Düsenachse (M) rotationssymmetrisch zueinander angeordnet sind.Burner system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least within one group, preferably within each group, there are several feed openings (36, 38, 40, 42) which are arranged rotationally symmetrically with respect to the nozzle axis (M). Brennersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einer Gruppe von Zuführöffnungen (36, 38, 40, 42) die Zuführöffnungen (36, 38, 40, 42) mittels eines Injektorelements (29) gegenüber der Innenseite der Düsenwand (22) radial nach innen versetzt angeordnet ist.Burner system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least in one group of feed openings (36, 38, 40, 42) the feed openings (36, 38, 40, 42) by means of an injector element (29) opposite the inside of the Nozzle wall (22) is arranged offset radially inwards. Brennersystem (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektorelement (29) in Form eines sich längs, insbesondere in axialer Richtung parallel zu der Düsenachse (M), entlang der Innenseite der Düsenwand (22) erstreckenden Rippenelements (30) ausgebildet ist.Burner system (1) according to Claim 18 , characterized in that the injector element (29) is designed in the form of a rib element (30) extending longitudinally, in particular in the axial direction parallel to the nozzle axis (M), along the inside of the nozzle wall (22). Brennersystem (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Rippenelement (30) sich über mehr als die halbe Länge, insbesondere über mehr als 2/3 der Länge des Düsenkanals (28), bis in den Ausströmbereich (25), insbesondere bis an die Ausströmöffnung (26), erstreckt.Burner system (1) according to claim 19 , characterized in that the rib element (30) extends over more than half the length, in particular over 2/3 of the length of the nozzle channel (28), up to the outflow area (25), in particular up to the outflow opening (26), extends. Brennersystem (1) nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Zuführöffnungen (36, 38, 40, 42) aus unterschiedlichen Gruppen an demselben Rippenelement (30) angeordnet sind.Burner system (1) according to claim 19 or 20 , characterized in that at least two feed openings (36, 38, 40, 42) from different groups are arranged on the same rib element (30). Brennersystem (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rippelemente (30) vorhanden sind, die bezüglich der Düsenachse (M) rotationssymmetrisch zueinander angeordnet sind.Burner system (1) according to one of claims 19 until 21 , characterized in that there are several rib elements (30) which are arranged rotationally symmetrically to one another with respect to the nozzle axis (M). Brennersystem (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rippenelemente (30) mit unterschiedlichen radialen Höhen (H1, H2) vorhanden sind, die insbesondere mehreren, z. B. zwei, Gruppen umfassend Rippenelemente (30) gleicher Höhen (H1, H2) zugeordnet sind, wobei Rippenelemente (30) der unterschiedlichen Gruppen innerhalb der Zufuhrdüse (20) in Umlaufrichtung um die Düsenachse (M) zueinander alternierend angeordnet sind.Burner system (1) according to one of claims 19 until 22 , characterized in that several rib elements (30) with different radial heights (H 1 , H 2 ) are present, the particular several, z. B. two groups comprising rib elements (30) of the same height (H 1 , H 2 ) are assigned, with rib elements (30) of the different groups within the feed nozzle (20) in the direction of rotation around the nozzle axis (M) being arranged alternately to one another. Brennersystem (1) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenelemente (30) über ihre Höhen (H1, H2) sich zur Düsenachse (M) hin verbreiternd ausgebildet sind.Burner system (1) according to Claim 23 , characterized in that the rib elements (30) over their heights (H 1 , H 2 ) are designed to widen toward the nozzle axis (M). Brennersystem (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Rippenelement (30) an seinem stromabseitigen Ende (44) zu einer radialen Linie zur Bildung einer radial ausgerichteten Abschlusskante (46) ausläuft.Burner system (1) according to one of claims 19 until 24 , characterized in that the rib element (30) at its downstream end (44) to a radial line to form a radially oriented terminal edge (46) tapers. Brennersystem (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Rippenelement (30) an einem stromaufseitigen Ende (54) in axialer Draufsicht stumpf, mit einer endseitigen Stirnfläche (56), ausgebildet ist, wobei insbesondere die Stirnfläche (56) axial in Richtung Ausströmöffnung (26) rampenartig zur vollen Rippenhöhe und -form ansteigt.Burner system (1) according to one of claims 19 until 25 , characterized in that the rib element (30) is blunt at an upstream end (54) in an axial plan view, with an end face (56), the end face (56) in particular being ramped axially in the direction of the outflow opening (26) to the full Rib height and shape increases. Brennersystem (1) nach Anspruch 25 und/oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Rippenelement (30) zumindest eine vierte Zuführöffnung (42) am stromabseitigen Ende (44) des Rippenelements (30) angeordnet ist und/oder dass an jedem Rippenelement (30) zumindest eine erste Zuführöffnung (42) an der endseitigen Stirnfläche (56) des Rippenelements (30) angeordnet ist und/oder dass an jedem Rippenelement (30) zumindest eine zweite Zuführöffnung (42) an einer radialen Oberseite (50) des jeweiligen Rippenelements (30) angeordnet ist.Burner system (1) according to Claim 25 and/or 26, characterized in that at least one fourth supply opening (42) is arranged on each rib element (30) at the downstream end (44) of the rib element (30) and/or that at least one first supply opening ( 42) on the end face (56) of the rib element (30) is arranged and / or that on each rib element (30) at least one second feed opening (42) on a radial upper side (50) of the respective rib element (30) is arranged. Brennersystem (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere dritte Zuführöffnungen (40) vorhanden sind, die in der Düsenwand (22) ringförmig umlaufend und zwischen den vierten Zuführöffnungen (42) und/oder den Rippenelementen (30) angeordnet sind.Burner system (1) according to one of Claims 12 until 27 , characterized in that a plurality of third feed openings (40) are present, which are arranged in the nozzle wall (22) in a ring-shaped circumference and between the fourth feed openings (42) and/or the rib elements (30). Brennersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidator-/Brennstoffzufuhreinrichtung (18) mehrere der Zufuhrdüsen (20) umfasst, von denen zumindest einige bezüglich der Längsachse (L) - radial gleich beabstandet ringförmig umlaufend in einer Düsenringanordnung (58) und/oder - radial versetzt zueinander in einer Matrixanordnung (60) angeordnet sind.Burner system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the oxidizer/fuel supply device (18) comprises a plurality of the supply nozzles (20), of which at least some with respect to the longitudinal axis (L) - radially equally spaced annularly circumferentially in a nozzle ring arrangement ( 58) and/or - are arranged radially offset from one another in a matrix arrangement (60). Brennersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (3) zylindrisch oder als Ringbrennkammer ausgebildet ist.Burner system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the combustion chamber (3) is designed cylindrically or as an annular combustion chamber.
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