EP1504222B1

EP1504222B1 - Premix burner

Info

Publication number: EP1504222B1
Application number: EP03732592A
Authority: EP
Inventors: Timothy Dr. Griffin; Frank Reiss; Dieter Winkler
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: EP1504222A1; WO2003098110A1; AU2003238524A1; DE50307654D1; US7013648B2; US20050115244A1

Abstract

The invention relates to a premix burner comprising a turbulence generator (7) for a combustion air flow and means for injecting the fuel into the combustion air flow. The turbulence generator (7) comprises one or more combustion air inlets for the combustion air flow entering the burner. The means for injecting fuel into the combustion air flow comprise one or more first fuel feed elements (8) with first fuel outlets (4). The opening diameter of the outlets and/or the injection angle thereof relative to the axial and/or radial direction is configured differently. Alternatively or additionally, some of the first fuel outlets (4) can be arranged in one or several first groups of fuel outlets which are arranged close to each other, such that each of the first groups produce a fuel jet having a large jet cross-section. The inventive burner enables improved premixing of fuel with the combustion air, especially when the fuel is injected into the combustion chamber end of the burner.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vormischbrenner zum Betrieb in einem Brennraum, vorzugsweise in Brennkammern von Gasturbinen, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a premix burner for operation in a combustion chamber, preferably in combustion chambers of gas turbines, according to the preamble of claim 1.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet für einen derartigen Brenner liegt in der Gas- und Dampfturbinentechnik.A preferred application for such a burner is in gas and steam turbine technology.

Stand der TechnikState of the art

Aus der EP 0 321 809 B1 ist ein aus mehreren Schalen bestehender kegelförmiger Brenner, ein sog. Doppelkegelbrenner, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Durch den kegelförmigen, aus mehreren Schalen zusammen gesetzten Drallerzeuger wird eine geschlossene Drallströmung in einem Drallraum erzeugt, welche aufgrund des in Richtung des Brennraums zunehmenden Dralls instabil wird und in eine ringförmige Drallströmung mit Rückströmung im Zentrum übergeht. Die Schalen des Drallerzeugers sind derart zusammengesetzt, dass entlang der Brennerachse tangentiale Lufteintrittsschlitze für Verbrennungsluft gebildet werden. An der Einströmkante der Kegelschalen an diesen Lufteintrittschlitzen sind Zuführungen für das Vormischgas, d. h. den gasförmigen Brennstoff, vorgesehen, die entlang der Richtung der Brennerachse verteilte Austrittsöffnungen für das Vormischgas aufweisen. Das Gas wird durch die Austrittsöffnungen bzw. Bohrungen quer zum Lufteintrittsspalt eingedüst. Diese Eindüsung führt in Verbindung mit dem im Drallraum erzeugten Drall der Verbrennungsluft-Brenngas-Strömung zu einer guten Durchmischung des Vormischbrennstoffs mit der Verbrennungsluft. Eine gute Durchmischung ist bei diesen Vormischbrennern die Voraussetzung für niedrige NO_x-Werte beim Verbrennungsvorgang.From the EP 0 321 809 B1 is a consisting of several shells conical burner, a so-called. Double cone burner, according to the preamble of claim 1 known. By means of the conical swirl generator composed of several shells, a closed swirl flow is generated in a swirl space, which becomes unstable due to the increasing swirl in the direction of the combustion chamber and merges into an annular swirl flow with backflow in the center. The shells of the swirl generator are assembled in such a way that tangential air inlet slots for combustion air are formed along the burner axis. Feeds for the premix gas, ie the gaseous fuel, are provided at the inflow edge of the conical shells at these air inlet slots, which have outlet openings for the premix gas distributed along the direction of the burner axis. The gas is injected through the outlet openings or bores transversely to the air inlet gap. This injection leads in connection with in the Swirl space created swirl of the combustion air-fuel gas flow to a good mixing of the premix fuel with the combustion air. Good mixing in these premix burners is the prerequisite for low NO _x values during the combustion process.

Zur weiteren Verbesserung eines derartigen Brenners ist aus der EP 0 780 629 A2 ein Brenner für einen Wärmeerzeuger bekannt, der im Anschluss an den Drallerzeuger eine zusätzliche Mischstrecke zur weiteren Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft aufweist. Diese Mischstrecke kann bspw. als nachgeschaltetes Rohrstück ausgeführt sein, in das die aus dem Drallerzeuger austretende Strömung ohne nennenswerte Strömungsverluste überführt wird. Durch die zusätzliche Mischstrecke können der Vermischungsgrad weiter erhöht und damit die Schadstoffemissionen verringert werden.To further improve such a burner is from the EP 0 780 629 A2 a burner for a heat generator known, which has an additional mixing section for further mixing of fuel and combustion air following the swirl generator. This mixing section may, for example, be designed as a downstream piece of pipe, into which the flow emerging from the swirl generator is transferred without appreciable flow losses. Through the additional mixing section, the degree of mixing can be further increased and thus the pollutant emissions can be reduced.

Die WO 93/17279 zeigt einen weiteren bekannten Vormisch-Brenner, bei dem ein zylindrischer Drallerzeuger mit einem konischen Innenkörper eingesetzt wird. Bei diesem Brenner wird das Vormischgas ebenfalls über Zuführungen mit entsprechenden Austrittsöffnungen in den Drallraum eingedüst, die entlang der axial verlaufenden Lufteintrittsschlitze angeordnet sind. Der Brenner weist im konischen Innenkörper zusätzlich eine zentrale Zuführung für Brenngas auf, das nahe dem Brenneraustritt zur Pilotierung in den Drallraum eingedüst werden kann. Die zusätzliche Pilotstufe dient dem Anfahren des Brenners sowie einer Erweiterung des Betriebsbereiches. Im sogenannten Pilotbetrieb, welcher im Übrigen auch für andere Vormischbrennerbauarten zum allgemein geläufigen Stand der Technik gehört, wird der Brennstoff so eingebracht - beispielsweise in Form eines entlang der Brennerachse eingedüsten Gasstrahls - , dass er sich nicht vorgängig der Verbrennung mit der Brennluft vermischt. Es wird so eine Diffusionsflamme erzeugt, welche zwar einerseits zu höheren Schadstoffemissionen führt, andererseits aber auch einen wesentlich breiteren stabilen Betriebsbereich aufweist.The WO 93/17279 shows another known premix burner, in which a cylindrical swirl generator is used with a conical inner body. In this burner, the premix gas is also injected via feeders with corresponding outlet openings in the swirl space, which are arranged along the axially extending air inlet slots. The burner has in the conical inner body in addition to a central supply of fuel gas, which can be injected near the burner outlet for piloting into the swirl space. The additional pilot stage is used to start the burner and an extension of the operating range. In the so-called pilot operation, which Incidentally, belongs to the well-known prior art for other premix burner types, the fuel is introduced so - for example in the form of a gas jet injected along the burner axis - that he does not mix prior to combustion with the combustion air. It is thus produced a diffusion flame, which on the one hand leads to higher pollutant emissions, but on the other hand also has a much wider stable operating range.

Aus der EP 1 070 915 A1 ist ein Vormischbrenner bekannt, bei dem die Brenngasversorgung mechanisch vom Drallerzeuger entkoppelt ist. Dadurch werden beim Einsatz nicht oder nur gering vorgewärmter Brenngase Spannungen aufgrund thermischer Dehnungen vermieden. Der Drallerzeuger ist hierbei mit einer Reihe von Öffnungen versehen, durch die von dem Drallerzeuger mechanisch entkoppelte Brennstoffleitungen für den Gas-Vormischbetrieb ins Innere des Drallerzeugers hinein ragen und dort der verdrallten Strömung der Verbrennungsluft gasförmigen Brennstoff zuführen.From the EP 1 070 915 A1 a premix burner is known in which the fuel gas supply is mechanically decoupled from the swirl generator. As a result, voltages are avoided due to thermal expansions when using not or only slightly preheated fuel gases. The swirl generator is in this case provided with a series of openings through which the swirl generator mechanically decoupled fuel lines for the gas pre-mixing into the interior of the swirl generator protrude and there supply the vaporized flow of combustion air gaseous fuel.

Bei diesen bekannten Vormischbrennern des Standes der Technik handelt es sich um sog. drallstabilisierte Vormischbrenner, bei denen ein Brennstoffmassenstrom vorgängig der Verbrennung in einem Brennluftmassenstrom möglichst homogen verteilt wird. Die Brennluft strömt bei diesen Brenner-Bauarten über tangentiale Lufteinlassschlitze in den Drallerzeugern ein. Der Brennstoff, insbesondere Erdgas, wird typischerweise entlang der Lufteintrittsschlitze eingedüst.These known premix burners of the prior art are so-called spin-stabilized premix burners in which a fuel mass flow prior to combustion is distributed as homogeneously as possible in a mass flow of combustion air. The combustion air flows in these burner types via tangential air inlet slots in the swirl generators. The fuel, especially natural gas, is typically injected along the air inlet slots.

In Gasturbinen werden neben Erdgas und flüssigem Brennstoff, meist Dieselöl bzw. Oil#2 auch synthetisch hergestellte Gase, sogenannte Mbtu- und Lbtu-Gase, zur Verbrennung eingesetzt. Diese Synthesegase werden durch die Vergasung von Kohle oder Ölrückständen hergestellt. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass sie zum größten Teil aus H₂ und CO bestehen. Hinzu kommt noch ein geringerer Anteil an Inertgasen, wie N₂ oder CO₂.In gas turbines, in addition to natural gas and liquid fuel, usually diesel oil or oil # 2, synthetically produced gases, so-called Mbtu and Lbtu gases, are also used for combustion. These synthesis gases are produced by the gasification of coal or oil residues. They are characterized by the fact that they mainly consist of H ₂ and CO. In addition, there is a lower proportion of inert gases, such as N ₂ or CO ₂ .

Bei der Verbrennung von Synthesegas kann aufgrund einer hohen Rückzündgefahr die für Erdgas bei den Brennern des Standes der Technik bewährte Eindüsung nicht beibehalten werden.
So ergeben sich im Unterschied zum Einsatz von Erdgas folgende Besonderheiten und Anforderungen an einen Brenner, der mit Synthesegas betrieben werden soll. Synthesegas erfordert einen in Abhängigkeit von einer nach dem Stand der Technik an sich bekannten Verdünnung des Synthesegases rund vierfach - im Falle von unverdünntem Synthesegas bis siebenfach oder sogar darüber - höheren Brennstoff-Volumenstrom gegenüber vergleichbaren Erdgasbrennern, so dass sich bei gleicher Gasbelochung des Brenner deutlich unterschiedliche Impulsverhältnisse ergeben. Aufgrund des hohen Anteiles an Wasserstoff im Synthesegas und der damit verbundenen niedrigen Zündtemperatur und hohen Flammgeschwindigkeit des Wasserstoffes besteht eine hohe Reaktionsneigung des Brennstoffes, so dass insbesondere das Rückzündverhalten und die Verweilzeit von zündfähigem Brennstoff-Luftgemisch in Brennernähe untersucht werden müssen. Weiterhin muss eine stabile und sichere Verbrennung von Synthesegasen für einen hinreichend großen Bereich von Heizwerten gewährleistet. werden, der je nach Prozessqualität der Vergasung und Ausgangsprodukt, bspw. Ölrückstände, das Synthesegas unterschiedlich zusammengesetzt ist. Um unter diesen Bedingungen bei der Verbrennung dennoch eine Vormischung und damit die typischen niedrigen Emissionen zu erreichen, werden diese Synthesegase vor der Verbrennung meist mit Inertgasen, wie N₂ oder Wasserdampf, verdünnt. Das verringert insbesondere das aufgrund des hohen H₂-Anteils immanente Rückzündrisiko. Der Brenner muss somit Synthesegase verschiedener Zusammensetzung, insbesondere unterschiedlicher Verdünnung und daraus resultierend stark variablem Brennstoff-Volumenstrom, sicher und stabil verbrennen können.In the combustion of synthesis gas can not be maintained due to a high Rückzündgefahr proven for natural gas in the burners of the prior art injection.
Thus, in contrast to the use of natural gas, the following peculiarities and requirements arise for a burner which is to be operated with synthesis gas. Synthesis gas requires depending on a known in the art of known dilution of the synthesis gas about four times - in the case of undiluted synthesis gas to seven times or even higher - higher fuel volume flow compared to comparable natural gas burners, so that at the same Gasbelochung the burner significantly different Give impulse ratios. Due to the high proportion of hydrogen in the synthesis gas and the associated low ignition temperature and high flame velocity of the hydrogen there is a high propensity to react with the fuel, so that in particular the Rückzündverhalten and the residence time of flammable fuel-air mixture must be examined near the burner. Furthermore, a stable and safe combustion of synthesis gases for a sufficiently large range of calorific values must be ensured. Depending on the process quality of the gasification and starting product, for example. Oil residues, the synthesis gas is composed differently. In order to achieve a premix and thus the typical low emissions during combustion under these conditions, these synthesis gases are usually diluted with inert gases, such as N ₂ or water vapor, before combustion. This reduces in particular the imminent risk of re-ignition due to the high H ₂ content. The burner must therefore be able to safely and stably burn synthesis gas of different composition, in particular different dilution and the resulting highly variable fuel volume flow.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn neben dem Synthesegas vom Brenner auch ein Reservebrennstoff, ein sogenannter Backup-Brennstoff sicher verbrannt werden kann. Diese Forderung resultiert bei den hochkomplexen integrierten Gassynthetisierungs- und Stromerzeugungs-(IGCC-, Integrated Gasification Combined Cycle-) Anlagen aus der Forderung nach hoher Verfügbarkeit. Der Brenner sollte in einem derartigen Fall sicher und zuverlässig auch im Mischbetrieb von Synthesegas und Backup-Brennstoff, beispielsweise Dieselöl, funktionieren, wobei das für den Brennerbetrieb im Mischbetrieb eines Einzelbrenners nutzbare Brennstoff-Mischungsspektrum zu maximieren ist. Selbstverständlich sollten geringe Emissionen, typisch NO_x ≤ 25 vppm und CO ≤ 5 vppm, für die spezifizierten und eingesetzten Brennstoffe gewährleistet werden.Furthermore, it is advantageous if, in addition to the synthesis gas from the burner and a reserve fuel, a so-called backup fuel can be burned safely. This requirement results (IGCC, I ntegrated G asification C ombined ycle- C) at the highly complex integrated Gassynthetisierungs- and power generation equipment from the demand for high availability. In such a case, the burner should function safely and reliably also in the mixed operation of synthesis gas and backup fuel, for example diesel oil, whereby the fuel mixture spectrum usable for burner operation in the mixed operation of a single burner must be maximized. Of course, low emissions, typically NO _x ≤ 25 vppm and CO ≤ 5 vppm, should be ensured for the specified and used fuels.

Aus der EP 0610 722 A1 ist ein Doppelkegelbrenner bekannt, bei dem eine Gruppe von Brennstoff-Austrittsöffnungen für ein Synthesegas an einem brennraumseitigen Ende des Brenners über den Umfang des Brenners verteilt am Drallerzeuger angeordnet sind. Diese Austrittsöffnungen werden über eine gesonderte Brennstoffleitung versorgt und ermöglichen den Betrieb des Brenners mit unverdünntem Synthesegas.From the EP 0610 722 A1 is known a double-cone burner in which a group of fuel outlet openings for a synthesis gas at a combustion chamber end of the burner are arranged distributed over the circumference of the burner at the swirl generator. These outlet openings are supplied via a separate fuel line and allow the operation of the burner with undiluted synthesis gas.

Durch diese Eindüsung des Brennstoffes am brennraumseitigen Ende des Brenners kann es jedoch zu einer ungenügenden Vermischung des Brennstoffes mit der Drallströmung der Brennluft kommen, da die Verweilzeit des Brennstoffes in der Drallströmung bis zum Erreichen der Flammenstabilisierungszone (Vortex Rezirkulationszone) nur kurz ist.Due to this injection of the fuel at the combustion chamber end of the burner, however, an insufficient mixing of the fuel with the swirling flow of the combustion air may occur since the residence time of the fuel in the swirl flow is only short until the flame stabilization zone (vortex recirculation zone) is reached.

Ein weiteres Problem tritt bei den vorgenannten Brennern des Standes der Technik auf, wenn diese für die Eindüsung eines Brennstoffes mit niedrigem bis mittlerem Brennwert ausgebildet sind bzw. mit einem derartigen Brennstoff betrieben werden. Brennstoffe mit niedrigem bis mittlerem Brennwert müssen mit hohen Volumenströmen in die Drallströmung eingebracht werden, um eine ausreichende Wärmeerzeugung bei der Verbrennung zu erzielen. Durch die hohen Volumenströme des Brennstoffes wird jedoch die sich im Brenner ausbildende Drallströmung gestört, so dass es in Extremfällen zu einem Ausbleiben der die Flamme stabilisierenden Rezirkulationszone kommen kann.Another problem arises with the prior art burners of the prior art, when they are designed for injection of a low to medium calorific value fuel or operated with such a fuel. Low to medium calorific fuels must be introduced into the swirl flow at high volumetric flow rates to achieve sufficient heat generation during combustion. Due to the high volume flows of the fuel, however, the swirling flow forming in the burner is disturbed so that, in extreme cases, the recirculation zone stabilizing the flame can be omitted.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Ausgehend vom oben dargelegten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Vormischbrenner anzugeben, bei dem die Nachteile des Standes der Technik nicht auftreten und der insbesondere beim Betrieb mit Synthesegas oder einem Brennstoff mit niedrigem bis mittlerem Brennwert eine verbesserte Durchmischung mit der Brennluft gewährleistet.Starting from the above-described prior art, the object of the present invention is to provide a premix burner, in which the disadvantages of the prior art do not occur and in particular when operating with synthesis gas or a fuel with low to medium fuel value improved mixing with the combustion air guaranteed.

Die Aufgabe wird mit den Brennern gemäß der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Brenner sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the burners according to claims 1 and 2. Advantageous embodiments of this burner are the subject of the dependent claims or can be taken from the following description and the exemplary embodiments.

Der vorliegende Brenner besteht in bekannter Weise aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluitstrom und Mitteln zur Eindüsung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom. Unter Eindüsung wird in diesem Zusammenhang die Einbringung von Brennstoff über eine Austrittsöffnung verstanden, wobei vorzugsweise ein gerichteter Brennstoffstrahl beliebiger Geometrie erzeugt wird. Der Drallerzeuger weist Brennluft-Eintrittsöffnungen für den vorzugsweise tangential in den Brenner eintretenden Verbrennungsluftstrom auf. Die Mittel zur Eindüsung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom umfassen ein oder mehrere erste Brennstoff-Zuführungen mit ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen. Diese Brennstoff-Austrittsöffnungen sind über den Umfang des Brenners in einer oder mehreren Ebenen senkrecht zur Brennerlängsachse, d. h. zur axialen Richtung, verteilt angeordnet. Die ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen sind beim vorliegenden Brenner derart ausgebildet, dass ein Eindüsungswinkel der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen relativ zur axialen und/oder zur radialen Richtung über den Umfang des Brenners variiert. In einer alternativen Ausgestaltung sind zumindest einige der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen derart in ein oder mehreren ersten Gruppen von nahe beieinander liegenden Brennstoff-Austrittsöffnungen angeordnet, dass jede der ersten Gruppen einen Brennstoffstrahl mit einem - relativ zu einem durch eine einzelne Brennstoff-Austrittsöffnung gebildeten Brennstoffstrahl - großen Strahlquerschnitt erzeugt. Jede Gruppe wirkt dann äquivalent zu einer Brennstoff-Austrittsöffnung mit entsprechend grösserem Öffnungsdurchmesser.The present burner consists in known manner of a swirl generator for a Verbrennungsluitstrom and means for injecting fuel into the combustion air stream. Injection in this context means the introduction of fuel via an outlet opening, wherein preferably a directed fuel jet of any geometry is produced. The swirl generator has combustion air inlet openings for the preferably tangentially entering the burner combustion air flow. The means for injecting fuel into the combustion air stream comprise one or more first fuel feeds with first fuel exit openings. These fuel exit openings are perpendicular to the circumference of the burner in one or more planes Burner longitudinal axis, ie distributed to the axial direction. The first fuel outlet openings are formed in the present burner such that an injection angle of the first fuel outlet openings varies relative to the axial and / or radial direction over the circumference of the burner. In an alternative embodiment, at least some of the first fuel exit openings are arranged in one or more first groups of closely spaced fuel exit openings such that each of the first groups forms a fuel jet having a fuel jet relative to a fuel jet formed by a single fuel exit opening. generated large beam cross section. Each group then acts equivalent to a fuel outlet opening with a correspondingly larger opening diameter.

Durch die vorliegende Ausgestaltung der Brennstoff-Austrittsöffnungen mit über den Umfang des Brenners variierenden radialen Eindüsungswinkeln wird eine verbesserte Durchmischung des eingedüsten Brennstoffes mit der die Drallströmung ausbildenden Brennluft erreicht. Die unterschiedlichen Eindüsungswinkel bewirken eine unterschiedliche Eindringtiefe des Brennstoffes in das Innenvolumen bzw. die Drallströmung des Brenners. Der Brennstoff lässt sich hierdurch gleichmäßiger über die Brennluft verteilen. Weiterhin führt die unterschiedliche Eindringtiefe der aus den Brennstoff-Austrittsöffnungen austretenden Brennstoffstrahlen zu einer geringeren Störung der Drallströmung, da sich keine zusammenhängende Brennstoffwand aufbauen kann, wie dies bei hohen Volumenströmen des Brennstoffes und identisch ausgebildeten Brennstoff-Austrittsöffnungen des Standes der Technik der Fall sein kann. Durch geeignete Wahl der Eindüsungswinkel lässt sich die im Brenner entstehende Drallströmung zusätzlich unterstützen.The present configuration of the fuel outlet openings with radial injection angles varying over the circumference of the burner achieves improved mixing of the injected fuel with the combustion air forming the swirling flow. The different injection angles cause a different penetration depth of the fuel into the internal volume or the swirl flow of the burner. Of the Fuel can thus be distributed more uniformly over the combustion air. Furthermore, the different penetration depth of the fuel jets emerging from the fuel discharge openings leads to a lower disturbance of the swirl flow, since no coherent fuel wall can build up, as may be the case with high volume flows of the fuel and identically designed fuel outlet openings of the prior art. By suitable choice of the injection angle, the swirl flow arising in the burner can be additionally supported.

In einer alternativen Ausgestaltung des vorliegenden Brenners, bei der zumindest ein Teil der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen zu einzelnen Gruppen nahe beieinander liegender Brennstoff-Austrittsöffnungen angeordnet sind, wird durch die jeweiligen Brennstoff-Austrittsöffnungen einer einzelnen Gruppe ein einzelner Brennstoffstrahl eines großen Durchmessers gebildet, der eine höhere Eindringtiefe als der Brennstoffstrahl einer einzelnen Austrittsöffnung aufweist. Hierfür müssen die Brennstoff-Austrittsöffnungen der einzelnen Gruppen jeweils ausreichend nahe beieinander liegen, damit sie einen gemeinsamen Brennstoffstrahl bilden, wodurch jede Gruppe äquivalent zu einer Brennstoff-Austrittsöffnung mit entsprechend grösserem Öffnungsdurchmesser wirkt. Auch durch diese Ausgestaltung wird somit aufgrund der höheren Eindringtiefe des gemeinsamen Brennstoffstrahls eine Variation der Eindringtiefe des Brennstoffes über den Umfang des Brenners erreicht, so dass sich eine bessere Durchmischung von Brennstoff und Brennluft ergibt. Selbstverständlich lässt sich diese alternative Ausgestaltung des Brenners in beliebiger Weise auch mit der Ausgestaltung der Brennstoff-Austrittsöffnungen mit unterschiedlichen Eindüsungswinkeln und Öffnungsdurchmessern kombinieren. Die unterschiedlichen Eindüsungswinkel lassen sich hierbei in bekannter Weise durch unterschiedliche Ausrichtung der die Brennstoff-Austrittsöffnungen bildenden Austrittskanäle in den Brennstoffzuleitungen erreichen.In an alternative embodiment of the present burner, in which at least a portion of the first fuel outlet openings are arranged to individual groups of closely spaced fuel outlet openings, a single fuel jet of a large diameter is formed by the respective fuel outlet openings of a single group, the one Has higher penetration depth than the fuel jet of a single outlet opening. For this purpose, the fuel outlet openings of the individual groups must each be sufficiently close to each other so that they form a common fuel jet, whereby each group acts equivalent to a fuel outlet opening with a correspondingly larger opening diameter. Due to the higher penetration depth of the common fuel jet, this embodiment also achieves a variation of the penetration depth of the fuel over the circumference of the burner, resulting in a better mixing of fuel and combustion air. Of course This alternative embodiment of the burner can be combined in any way with the design of the fuel outlet openings with different injection angles and opening diameters. The different injection angles can be achieved in a known manner by different orientation of the fuel outlet openings forming outlet channels in the fuel supply lines.

Vorzugsweise alternieren die Öffnungsdurchmesser bzw. Eindüsungswinkel entlang des Brenner-Umfangs zwischen zumindest zwei Werten, so dass in Umfangs richtung des Brenners jeweils abwechselnd ein größerer und ein kleinerer Eindüsungswinkel bzw. ein größerer und ein kleinerer Öffnungsdurchmesser der in dieser Richtung angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen vorliegen. Bei mehr als zwei unterschiedlichen Werten des Öffnungsdurchmessers und/oder des Eindüsungswinkels erfolgt die entsprechende Variation vorzugsweise durch periodische Wiederholung der unterschiedlichen Öffnungsdurchmesser bzw. Eindüsungswinkel in Umfangs richtung des Brenners. Vorzugsweise wird bei gleichzeitiger Variation des Öffnungsdurchmessers und des Eindüsungswinkels relativ zur axialen Richtung bei einer Brennstoff-Austrittsöffnung mit einem größeren Eindüsungswinkel ein größerer Öffnungsdurchmesser gewählt als bei einer Brennstoff-Austrittsöffnung mit einem kleineren Eindüsungswinkel.Preferably, the opening diameter or injection angle along the burner circumference alternate between at least two values, so that in the circumferential direction of the burner alternately a larger and a smaller injection angle and a larger and a smaller opening diameter of the arranged in this direction fuel outlet openings are present. With more than two different values of the opening diameter and / or the injection angle, the corresponding variation is preferably carried out by periodic repetition of the different opening diameter or injection angle in the circumferential direction of the burner. Preferably, with a simultaneous variation of the opening diameter and the injection angle relative to the axial direction, a larger opening diameter is selected for a fuel outlet opening with a larger injection angle than for a fuel outlet opening with a smaller injection angle.

Bei einer Variation der Eindüsungswinkel relativ zur radialen Richtung werden diese Eindüsungswinkel der Brennstoff-Austrittsöffnungen derart gewählt, dass sich aus den Brennstoff-Austrittsöffnungen austretende Brennstoffstrahlen unterschiedlicher Gruppen von Austrittsöffnungen jeweils in unterschiedlichen Punkten außerhalb der zentralen Brennerlängsachse im Innenvolumen des Brenners schneiden.With a variation of the injection angles relative to the radial direction, these injection angles become Fuel outlet openings selected such that intersect from the fuel outlet openings emerging fuel jets of different groups of outlet openings each at different points outside the central burner longitudinal axis in the internal volume of the burner.

In der bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Brenners sind die ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen an einem brennraumseitigen Ende des Brenners, d. h. am Brenneraustritt, über den Umfang des Brenners verteilt angeordnet. Vorzugsweise sind hierbei die ein oder mehreren ersten Brennstoffzuführungen mit den ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen mechanisch vom Drallerzeuger entkoppelt.In the preferred embodiment of the present burner, the first fuel outlets are at a combustion chamber end of the burner, i. H. arranged at the burner outlet, distributed over the circumference of the burner. In this case, the one or more first fuel feeds with the first fuel outlet openings are preferably mechanically decoupled from the swirl generator.

Die Geometrie des Drallerzeugers wie auch eines gegebenenfalls vorhandenen Drallraums können beim vorliegenden Brenner in unterschiedlicher Weise gewählt werden und insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Geometrien aufweisen. Durch die vorzugsweise Verteilung der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen ausschließlich am brennraumseitigen Ende des Brenners bzw. Drallraums über den Brenner-Umfang wird ein Rückzünden von eingedüstem Synthesegas zuverlässig verhindert. Eine Vermischung mit der aus dem Brenner austretenden Verbrennungsluft ist dennoch in ausreichendem Maße gewährleistet. Synthesegas mit hohem Wasserstoffanteil (45 Vol%) kann unverdünnt verbrannt werden (Unterer Heizwert Hu ≈ 14000 kJ/kg). Selbstverständlich lässt sich der Brenner auch mit Synthesegas eines anderen Wasserstoffgehaltes, beispielsweise mit H₂ ~ 33%, betreiben. Der Brenner ermöglicht in dieser Ausführungsform somit eine sichere und stabile Verbrennung sowohl von unverdünntem als auch von verdünntem Synthesegas. Das garantiert eine hohe Flexibilität beim Einsatz einer mit erfindungsgemäßen Brennern ausgestatteten Gasturbine in einem IGCC-Prozess. Durch eine entsprechend im Querschnitt angepasste Ausgestaltung der ersten Brennstoffzuführung(en) können hohe Volumenströme, bis zu einem Faktor 7 im Vergleich zur Zuführung von Erdgas bei bekannten Brennern des Standes der Technik, sicher zur Eindüsungsstelle am Brenneraustritt geleitet werden.The geometry of the swirl generator as well as an optionally existing swirl space can be chosen in different ways in the present burner and in particular have the geometries known from the prior art. Due to the preferably distribution of the first fuel outlet openings exclusively at the combustion chamber end of the burner or swirl space over the burner circumference, a reignition of injected synthesis gas is reliably prevented. However, mixing with the combustion air emerging from the burner is sufficiently ensured. Synthesis gas with a high hydrogen content (45 vol%) can be burned undiluted (lower calorific value Hu ≈ 14000 kJ / kg). Of course, the burner can also be operated with synthesis gas of a different hydrogen content, for example with H ₂ ~ 33%. The burner thus enables safe and stable combustion of both undiluted and dilute syngas in this embodiment. This guarantees a high degree of flexibility when using a gas turbine equipped with burners according to the invention in an IGCC process. By a correspondingly adapted in cross-sectional configuration of the first fuel supply (s) high volume flows, up to a factor of 7 compared to the supply of natural gas in known burners of the prior art, safely to the injection point at the burner outlet are passed.

Bei dem vorliegenden Brenner sind die ein oder mehreren ersten Brennstoffzuführungen mit den zugehörigen ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen vorzugsweise mechanisch und thermisch vom Drallerzeuger bzw. den den Drallerzeuger bildenden und im Betrieb deutlich wärmeren Brennerschalen entkoppelt. Auf diese Weise können beide Bauteile unabhängig voneinander und ohne gegenseitige Behinderung thermische Dehnungen und insbesondere Differenzdehnungen vollziehen. Dadurch werden die thermischen Spannungen zwischen den vergleichsweise kalten ersten Brennstoffzuführungen, im Folgenden auch als Gaskanäle bezeichnet, und den wärmeren Brennerschalen vermieden oder zumindest deutlich reduziert. So wird in einer Ausführungsform des vorliegenden Brenners, wie sie in den Ausführungsbeispielen näher erläutert ist, der Eindüsungsbereich für das Synthesegas in den Brennerschalen völlig ausgeschnitten. Der erste Gaskanal wird direkt in diesen Ausschnitt der Brennerschalen verankert. Damit sind Gaskanal und Brennerschalen thermisch und mechanisch voneinander entkoppelt und das konstruktive Problem an den Verbindungsstellen von kaltem Gaskanal und warmer Brennerschale ist gelöst. Frühere Konstruktionen wie die der EP 0610 722 A1 zeigten besonders bei der Verbindung von relativ kaltem Gaskanal zu heißer Brennerschale Probleme, bspw. Risse in Folge der hohen Spannungskonzentration an diesen Verbindungsstellen. Mit der entkoppelten Lösung und dem vorgestellten Design wird die erforderliche Lebensdauer des Brenners erreicht.In the present burner, the one or more first fuel feeds with the associated first fuel outlet openings are preferably mechanically and thermally decoupled from the swirl generator or the burner bowls forming the swirl generator and significantly warmer during operation. In this way, both components can independently and without mutual interference thermal expansions and in particular differential strains perform. As a result, the thermal stresses between the comparatively cold first fuel feeds, hereinafter also referred to as gas channels, and the warmer burner shells are avoided or at least significantly reduced. Thus, in one embodiment of the present burner, as explained in more detail in the exemplary embodiments, the injection region for the synthesis gas in the burner bowls is completely cut out. The first gas channel is anchored directly in this section of the burner bowls. Thus gas channel and burner shells are thermal and mechanically decoupled from each other and the design problem at the joints of cold gas channel and warm burner shell is solved. Earlier constructions such as the EP 0610 722 A1 showed problems especially in the connection of relatively cold gas channel to hot burner shell, for example cracks due to the high concentration of stress at these connection points. With the decoupled solution and the presented design, the required service life of the burner is achieved.

Die Entkopplung einzelner Brennstofflanzen von den Brennerschalen ist bereits aus der EP 1 070 915 bekannt. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des vorliegenden Brenners wird diese mechanische Entkopplung jedoch erstmals mit integralen Gaskanälen mit umfangshomogener Gaseinbringung realisiert. Gegenüber der aus der EP 1 070 950 bekannten Gaseindüsung besticht diese umfangshomogene Gaseindüsung durch eine wesentlich gleichmäßigere Verteilung des Brennstoffs in der Brennluft, und damit, insbesondere bei der Verwendung von Lbtu- und Mbtu-Brennstoffen, durch ein überlegenes Emissionsverhalten bei gleichzeitig guter Flammenstabilität. Eine aufwendige spezielle Wärmeisolierung des Gaskanals gegenüber der heißen Brennerschale - wie zum Beispiel durch die dem Fachmann an sich bekannten Gaskanalinserts - ist nicht notwendig.The decoupling of individual fuel lances from the burner shells is already out of the EP 1 070 915 known. In an advantageous embodiment of the present burner, however, this mechanical decoupling is realized for the first time with integral gas channels with extensive homogeneous gas introduction. Opposite from the EP 1 070 950 This comprehensive homogeneous gas injection is characterized by a much more even distribution of the fuel in the combustion air, and thus, in particular when using Lbtu and Mbtu fuels, by a superior emission behavior coupled with good flame stability. An elaborate special heat insulation of the gas channel relative to the hot burner shell - as for example by the gas channel inserts known to those skilled in the art - is not necessary.

Gerade bei einem Brenner, bei dem die ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen am brennraumseitigen Ende des Brenners über den Umfang des Brenners verteilt angeordnet sind, lässt sich mit der vorliegenden Variation des Eindüsungswinkels bzw. der Eindüsungstiefe eine deutlich verbesserte Vermischung des Brennstoffes mit der Brennluft erreichen.Especially with a burner in which the first fuel outlet openings are arranged distributed over the circumference of the burner at the combustion chamber end of the burner, can be achieved with the present variation of the injection angle or the Eindüsungstiefe a significantly improved mixing of the fuel with the combustion air.

Selbstverständlich lässt sich jedoch ein verbesserter Durchmischungseffekt wie auch eine geringere Störung der Drallströmung auch bei Brennern realisieren, bei denen die ersten Brennstoff-Zuführungen mit den ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen in Längsrichtung des Brenners entlang dessen Außenschale bzw. Außenschalen angeordnet sind.Of course, however, an improved mixing effect as well as a smaller disturbance of the swirl flow can also be realized in burners in which the first fuel feeds are arranged with the first fuel outlet openings in the longitudinal direction of the burner along its outer shell or outer shells.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Brenner neben der bzw. den ersten Brennstoffzuführungen auch ein oder mehrere zweite Brennstoffzuführungen mit einer Gruppe von im Wesentlichen entlang der Richtung der Brennerachse angeordneten zweiten Brennstoff-austrittsöffnungen am Drallkörper auf. Alternativ oder in Kombination kann auch eine im Wesentlichen auf der Brennerachse angeordnete Brennstofflanze für die Eindüsung von Flüssigbrennstoff oder von Pilotgas zur Diffusionsverbrennung vorgesehen sein, die in axialer Richtung in den Drallraum ragt. Die Anordnung und Ausgestaltung dieser zusätzlichen Brennstoffzuführungen kann bspw. auf der bekannten Vormischbrennertechnologie gemäß der EP 321 809 oder auch anderen Bauarten, wie bspw. gemäß der EP 780 629 oder der WO 93/17279 , beruhen. Derartige Brennergeometrien können mit den erfindungsgemäßen Merkmalen für die Ausbildung und Anordnung der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen realisiert werden.In a further embodiment, in addition to the first or the first fuel feeds, the burner also has one or more second fuel feeds with a group of second fuel outlets on the swirl body arranged substantially along the direction of the burner axis. Alternatively or in combination, a fuel lance arranged essentially on the burner axis can also be provided for the injection of liquid fuel or of pilot gas for diffusion combustion, which projects into the swirl space in the axial direction. The arrangement and design of these additional fuel feeds can, for example. On the known premix burner technology according to the EP 321 809 or other types, such as. According to the EP 780,629 or the WO 93/17279 , based. Such burner geometries can be realized with the inventive features for the formation and arrangement of the first fuel outlet openings.

Durch diese Ausführungsform des vorliegenden Brenners mit ein oder mehreren weiteren Brennstoffzuführungen wird ein multifunktioneller Brenner erhalten, der unterschiedlichste Brennstoffe Sicher und stabil verbrennt. Der Brenner kann insbesondere die stabile und sichere Verbrennung von Mbtu-Synthesegasen (Mindestgehalt an H₂ = 10 Vol%) mit Heizwerten (unterer Heizwert Hu oder Lower Heating Value LHV) von 3500 - 18000 kJ/kg, insbesondere 6000 bis 15000 kJ/kg, bevorzugt von 6500 bis 14500 kJ/kg oder von 7000 bis 14000 kg/kJ gewährleisten. Neben der sicheren und stabilen Verbrennung von unverdünntem und verdünntem Synthesegas bei entsprechender Anordnung der ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen am brennraumseitigen Ende des Brenners kann auch Flüssigbrennstoff, bspw. Dieselöl, als Reservebrennstoff eingesetzt werden. Die eingesetzten Brennstoffe können sich hierbei im Heizwert deutlich unterscheiden, so beispilesweise bei Dieselöl mit einem Heizwert Hu = 42000 kJ/kg und Synthesegas mit einem Heizwert von 3500 - 18000 kJ/kg, insbesondere 6000 bis 15000 kJ/kg, bevorzugt von 6500 bis 14500 kJ/kg oder von 7000 bis 14000 kg/kJ.By means of this embodiment of the present burner with one or more further fuel feeds, a multifunctional burner is obtained, which has a very wide variety of fuels burns stably. The burner can in particular the stable and safe combustion of Mbtu synthesis gases (minimum content of H ₂ = 10% by volume) with heating values (lower heating value Hu or Lower Heating Value LHV) of 3500 - 18000 kJ / kg, in particular 6000 to 15000 kJ / kg , preferably from 6500 to 14500 kJ / kg or from 7000 to 14000 kg / kJ. In addition to the safe and stable combustion of undiluted and diluted synthesis gas with a corresponding arrangement of the first fuel outlet openings at the combustion chamber end of the burner and liquid fuel, for example. Diesel oil can be used as a reserve fuel. The fuels used here can differ significantly in calorific value, for example in the case of diesel oil with a calorific value Hu = 42,000 kJ / kg and synthesis gas with a calorific value of 3500-18000 kJ / kg, in particular 6000 to 15000 kJ / kg, preferably from 6500 to 14500 kJ / kg or from 7000 to 14000 kg / kJ.

Auch die Verwendung von Erdgas als zusätzlichem Brennstoff ist möglich. Die Eindüsung von Erdgas kann dabei wahlweise im Brennerkopf durch die Brennerlanze und/oder über die zweiten Brennstoffzuführungen erfolgen, die üblicherweise durch die an den Lufteintrittsschlitzen am Drallerzeuger bzw. Drallkörper längs angebrachten Gaskanäle gebildet werden, die dem Fachmann bspw. aus der EP 321 809 geläufig sind. Auf diese weise kann der Brenner mit drei unterschiedlichen Brennstoffen betrieben werden.The use of natural gas as additional fuel is also possible. The injection of natural gas can optionally be carried out in the burner head through the burner lance and / or via the second fuel feeds, which are usually formed by the longitudinally attached to the air inlet slots on the swirl generator or swirl body gas channels, which, for example EP 321 809 are common. In this way, the burner can be operated with three different fuels.

Für die Verbrennung von Synthesegas sind die ersten Brennstoffzuführungen weiterhin konstruktiv an den bis zu 7-fach größeren Brennstoff-Volumenstrom angepasst und stellen insbesondere die notwendigen Durchströmungsquerschnitte zur Verfügung. Hierbei weisen sie im vergleich zu den Zuführungen für Erdgas einen mehrfachen Querschnitt auf.For the combustion of synthesis gas, the first fuel feeds continue to be structurally adapted to the fuel volume flow, which is up to 7 times larger, and in particular provide the necessary fuel Flow cross sections available. In this case, they have a multiple cross-section compared to the feeds for natural gas.

Beim Einsatz von Öl als Brennstoff wird die aus dem Stand der Technik bekannte Eindüsung des Öls oder einer Öl-Wasseremulsion über eine Brennerlanze beibehalten. Durch verschiedene Randbedingungen, wie Einbindung der Gasturbine in den IGCC-Prozess oder fixierte Brennergruppierungen, die beibehalten werden sollen, müssen Gasturbinen, die Synthesegas verbrennen, den Mischbetrieb von Zündbrennstoff und Synthesegas gewährleisten. Der hier beschriebene Brenner funktioniert auch im Mischbetrieb von Dieselöl und Synthesegas in verschiedenen Mischungsverhältnissen stabil und sicher. Er kann über längere Zeiträume sicher im Mischbetrieb betrieben werden. Damit erreicht die Gasturbine weitere Flexibilität und kann im Betrieb von einem Brennstoff zum anderen wechseln. Der mögliche Mischbetrieb stellt einen wesentlichen betriebstechnischen Vorteil dar.When using oil as a fuel, the known from the prior art injection of the oil or an oil-water emulsion over a burner lance is maintained. Due to various boundary conditions, such as integration of the gas turbine in the IGCC process or fixed burner groupings that are to be maintained, gas turbines burning syngas must ensure the mixed operation of pilot fuel and synthesis gas. The burner described here is stable and safe even in mixed operation of diesel oil and syngas in various mixing ratios. It can be operated safely for longer periods in mixed operation. The gas turbine thus achieves further flexibility and can change from one fuel to another during operation. The possible mixing operation represents a significant operational advantage.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1: schematisch einige der bei dem vorliegenden Brenner beeinflussten Parameter der Austrittsöffnungen;
Fig. 2: eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des vorliegenden Brenners;
Fig. 3: eine Schnittansicht durch die Ebene B-B des Brenners der Figur 2;
Fig. 4: eine beispielhafte Darstellung unterschiedlicher Eindüsungswinkel relativ zur axialen Richtung;
Fig. 5: ein Beispiel für die Bildung einzelner Gruppen von Austrittsöffnungen für die Erzeugung eines Brennstoffstrahls mit großem Strahldurchmesser;
Fig. 6: ein Beispiel für die Variation des Eindüsungswinkels relativ zur radialen Richtung;
Fig. 7: ein stark schematisiertes Beispiel für einen Brenner mit entlang der Längserstreckung des Brenners angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen sowie Beispiele für die Ausgestaltung der Brennstoff-Austrittsöffnungen;
Fig. 8: ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Brenners mit konischem Innenkörper; und
Fig. 9: ein Beispiel für eine weitere mögliche Ausgestaltung des Brenners.

The present invention will be briefly explained again below without limiting the general inventive idea using exemplary embodiments in conjunction with the figures. Hereby show:

Fig. 1: schematically some of the parameters of the outlet openings influenced in the present burner;
Fig. 2: a sectional view of an embodiment of the present burner;
Fig. 3: a sectional view through the plane BB of the burner of Figure 2;
Fig. 4: an exemplary representation of different injection angle relative to the axial direction;
Fig. 5: an example of the formation of individual groups of outlet openings for the production of a fuel jet with a large beam diameter;
Fig. 6: an example of the variation of the injection angle relative to the radial direction;
Fig. 7: a highly schematic example of a burner with arranged along the longitudinal extent of the burner fuel outlet openings and examples of the design of the fuel outlet openings;
Fig. 8: an example of an embodiment of the burner with conical inner body; and
Fig. 9: an example of another possible embodiment of the burner.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Figur 1 zeigt zur Veranschaulichung unterschiedliche Parameter bei der Ausgestaltung von Brennstoff-Austrittsöffnungen, die bei der Realisierung des vorliegenden Brenners eine Rolle spielen. In der Figur ist in Teilabbildung a) schematisch ein Teil eines Brenners in schnittansicht dargestellt, bei dem die Brennerschale 1, eine zentrale Brennerlängsachse 2 sowie ein am brennraumseitigen Ende des Brenners vorgesehenes Frontpanel 3 zu erkennen sind. Über den Umfang der Brennerschale 1 sind in diesem Beispiel Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 angeordnet, die den Öffnungsdurchmesser d sowie eine einheitliche Distanz a zum Frontpanel 3 aufweisen. Die Brennerschale 1 hat in diesem Beispiel eine Neigung von α = 11° zur durch die Brennerlängsachse 2 vorgegebenen axialen Richtung. Die Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 sind als Austrittskanäle ausgebildet, deren Kanalachse 5 unter einem bestimmten Winkel zur axialen und radialen Richtung des Brenners verläuft. Der Kanalverlauf ist in dieser Figur durch die seitlich herausgeführten Linien mit dem darin schraffiert angedeuteten Öffnungsquerschnitt veranschaulicht. Durch die Richtung der Austrittskanalachse 5 zur axialen und radialen Richtung des Brenners wird die Eindüsungsrichtung des Brennstoffes in den Innenraum des Brenners vorgegeben. In der Figur ist der Geschwindigkeitsvektor c der Eindüsung sowie seine entsprechenden Komponenten in axialer Richtung (u) sowie in radialer Richtung (v) zu erkennen. Der Eindüsungswinkel relativ zur axialen Richtung ist mit ψ bezeichnet, der Winkel relativ zum Lot auf die Brennerwand bzw. Brennerschale 1 mit β. Typische Werte für den Winkel β betragen 20°, 30° oder 40°.Figure 1 shows by way of illustration different parameters in the design of fuel outlet openings, which play a role in the realization of the present burner. In the figure, a part of a burner is shown schematically in sectional view in partial illustration a), in which the Burner shell 1, a central burner longitudinal axis 2 and provided at the combustion chamber end of the burner front panel 3 can be seen. Over the circumference of the burner shell 1, fuel outlet openings 4 are arranged in this example, which have the opening diameter d and a uniform distance a to the front panel 3. The burner shell 1 has in this example an inclination of α = 11 ° to the axial direction given by the burner longitudinal axis 2. The fuel outlet openings 4 are formed as outlet channels, the channel axis 5 extends at a certain angle to the axial and radial directions of the burner. The channel profile is illustrated in this figure by the lines led out laterally with the hatched cross-section indicated therein. By the direction of the outlet channel axis 5 to the axial and radial directions of the burner, the Eindüsungsrichtung of the fuel is set in the interior of the burner. In the figure, the velocity vector c of the injection and its corresponding components in the axial direction (u) and in the radial direction (v) can be seen. The injection angle relative to the axial direction is denoted by ψ, the angle relative to the solder on the burner wall or burner shell 1 with β. Typical values for the angle β are 20 °, 30 ° or 40 °.

In Teilfigur b) ist weiterhin eine Draufsicht auf einen Brenner gemäß Teilfigur a) dargestellt. In dieser Figur ist die in Teilbabbildung a) nicht erkennbare Geschwindigkeitskomponente w des durch die Brennstoff-Eintrittsöffnung 4 eingedüsten Brennstoffstrahls zu erkennen. Diese Geschwindigkeitskomponente weist einen Winkel δ relativ zur radialen Richtung des Brenners auf. Im vorliegenden Beispiel erfolgt die Eindüsung gleichsinnig zur Drallrichtung 6 der in den Brenner eintretenden Brennluft, wie dies aus der Teilabbildung ersichtlich ist.In part figure b) is still a plan view of a burner according to part of a) shown. In this figure, the velocity component w of the fuel jet injected through the fuel inlet opening 4 can not be recognized in partial image formation a). This speed component has a Angle δ relative to the radial direction of the burner. In the present example, the injection takes place in the same direction to the twist direction 6 of the combustion air entering the burner, as can be seen from the partial illustration.

Bei dem vorliegenden Brenner werden nun die in der Figur 1 veranschaulichten Parameter, d. h. der Eindüsungswinkel ψ relativ zur axialen Richtung, der Eindüsungswinkel δ relativ zur radialen Richtung sowie der Öffnungsdurchmesser d der Brennstoff-Austrittsöffnungen in Umfangsrichtung des Brenners und/oder entlang der Brennstoff-Zuführungen variiert, so dass unterschiedliche Gruppen von Brennstoff-Austrittsöffnungen unterschiedliche Eindüsungswinkel δ oder ψ und/oder unterschiedliche Öffnungsdurchmesser d aufweisen.In the present burner, the parameters illustrated in FIG. H. the injection angle ψ relative to the axial direction, the injection angle δ relative to the radial direction and the opening diameter d of the fuel outlet openings in the circumferential direction of the burner and / or varies along the fuel feeds, so that different groups of fuel outlet openings different injection angle δ or ψ and / or have different opening diameters d.

Der Öffnungsdurchmesser d, der Abstand zwischen den einzelnen Austrittsöffnungen, das Impulsverhältnis zwischen Brennstoff und Brennluft wie auch die Eindüsungsrichtung haben einen Einfluss auf die Eindringtiefe des Brennstoffstrahls in den Brenner bzw. die Drallströmung innerhalb des Brenners. Diese Eindringtiefe ist proportional zu J^a x d^b x sinψ, wobei a und b positive Exponenten, J das Impulsverhältnis zwischen Brennstoff und Brennluft und d der Durchmesser der Brennstoff-Austrittsöffnungen sind.The opening diameter d, the distance between the individual outlet openings, the pulse ratio between fuel and combustion air as well as the direction of injection have an influence on the penetration depth of the fuel jet into the burner or the swirl flow inside the burner. This penetration depth is proportional to J ^a xd ^b x sinψ, where a and b are positive exponents, J is the momentum ratio between fuel and combustion air and d is the diameter of the fuel exit ports.

Aus diesem Zusammenhang ist ersichtlich, dass eine Erhöhung des Brennstoff-Einspritzimpulses einen signifikanten Einfluss auf die Eindringtiefe hat. Allerdings ist der in einem Brennstoffsystem verfügbare Brennstoffdruck limitiert. Auch der Öffnungsdurchmesser der Brennstoff-Austrittsöffnungen hat einen Einfluss auf die Eindringtiefe, ist jedoch ebenfalls begrenzt. Insbesondere kann ein zu großer Öffnungsdurchmesser die Zuverlässigkeit des Brennstoffsystems während eines Teillastbetriebs sowie während eines Brennölbetriebs negativ beeinflussen. Dies betrifft insbesondere die thermoakustische Stabilität des Gesamtsystems.From this context it can be seen that an increase of the fuel injection pulse has a significant influence on the penetration depth. However, the fuel pressure available in a fuel system is limited. The opening diameter of the fuel outlet openings also has an influence on the penetration depth, but is also limited. In particular, a too large orifice diameter may adversely affect the reliability of the fuel system during a part load operation as well as during a fuel oil operation. This applies in particular to the thermoacoustic stability of the overall system.

Figur 2 zeigt beispielhaft einen Aufbau eines Brenners mit ersten Brennstoff-Zuführungen und Brennstoff-Austrittsöffnungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sein können. Bei dieser Ausgestaltung eines Brenners, der insbesondere für die Eindüsung von Synthesegas geeignet ist, sind erste Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 radial am Brenneraustritt, d. h. am Ende des den Drallraum bildenden Innenvolumens 12 des Brenners über den Umfang des Brenners verteilt in einer Reihe angeordnet. Durch diese Eindüsung am Brenneraustritt wird die Verbrennung des wasserstoffreichen Synthesegases auch unverdünnt möglich. Die Figur zeigt hierbei die Brennerschalen 1, die in diesem Beispiel durch ihre kegelschalenförmige Ausgestaltung den Drallerzeuger 7 bilden. Außerhalb dieses Drallerzeugers 7 ist ein Gaszuführelement 13 angeordnet, das den Drallerzeuger 7 radial umschließt und den oder die ersten Brennstoff-Zuführungen 8 für die Zufuhr von Synthesegas bildet. Am brennraumseitigen Ende dieses Gaszuführelementes 13 sind die ersten Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 für das Synthesegas angeordnet. Diese Austrittsöffnungen 4 bilden Austrittskanäle, die die Eindüsungsrichtung des Synthesegases vorgeben. Der in diesem Beispiel angedeutete Eindüsungswinkel ψ relativ zur axialen Richtung und/oder der Durchmesser d dieser Kanäle bzw. Öffnungen 4 variieren beim vorliegenden Brenner, wie dies bspw. aus den nachfolgenden Figuren 4 - 6 hervorgeht.FIG. 2 shows by way of example a structure of a burner with first fuel feeds and fuel outlets, which may be formed according to the present invention. In this embodiment of a burner, which is particularly suitable for the injection of synthesis gas, first fuel outlet openings 4 are arranged radially at the burner outlet, ie at the end of the swirl space forming internal volume 12 of the burner distributed over the circumference of the burner in a row. Through this injection at the burner outlet, the combustion of the hydrogen-rich synthesis gas is also possible undiluted. The figure shows here the burner shells 1, which form the swirl generator 7 in this example by their conical shell-shaped configuration. Outside this swirl generator 7, a Gaszuführelement 13 is arranged, which surrounds the swirl generator 7 radially and forms the or the first fuel feeds 8 for the supply of synthesis gas. At the combustion chamber end of this Gaszuführelementes 13, the first fuel outlet openings 4 are arranged for the synthesis gas. These outlet openings 4 form outlet channels which predetermine the injection direction of the synthesis gas. The indicated in this example Injection angle ψ relative to the axial direction and / or the diameter d of these channels or openings 4 vary in the present burner, as can be seen, for example, from the following figures 4-6.

Im vorliegenden Beispiel sind insgesamt 12 erste Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 nebeneinander über den Umfang des Brenners gleichmäßig verteilt angeordnet, die mit den römischen Ziffern I - XII bezeichnet sind. Die geradzahligen Austrittsöffnungen 4 haben hierbei einen Eindüsungswinkel ψ relativ zur axialen Richtung von ca. 50° (60° zur Brennerschale), während die ungeradzahligen Austrittsöffnungen 4 einen Eindüsungswinkel von ca. 40° zur axialen Richtung (50° zur Brennerschale) aufweisen.In the present example, a total of 12 first fuel outlet openings 4 are arranged distributed uniformly next to each other over the circumference of the burner, which are designated by the Roman numerals I - XII. The even-numbered outlet openings 4 in this case have an injection angle ψ relative to the axial direction of about 50 ° (60 ° to the burner shell), while the odd-numbered outlet openings 4 have a Eindüsungswinkel of about 40 ° to the axial direction (50 ° to the burner shell).

Die vergleichsweise kalten Brennstoff-Zufuhrkanäle 8 zur Eindüsung des Synthesegases und die im Prinzip deutlich wärmeren Brennerschalen 1 sind in diesem Beispiel thermisch und mechanisch voneinander entkoppelt. Dadurch werden die thermischen Spannungen deutlich reduziert. Die Verbindung zwischen dem Gaszuführelement 13 und dem Drallerzeuger 7 erfolgt über an beiden Bauteilen vorgesehene Laschen 10 bzw. 11, die miteinander verbunden werden. Auf diese Weise werden minimale thermische Spannungen erreicht. In der Figur ist weiterhin eine Öffnung bzw. ein umlaufender Spalt 9 am Drallerzeuger 7 zu erkennen, der notwendig ist, um eine Verbindung zwischen den Austrittsöffnungen 4 des Gaszuführelements 13 und dem Drallraum 12 zu ermöglichen.The comparatively cold fuel supply channels 8 for injecting the synthesis gas and the burner shells 1, which in principle are significantly warmer, are thermally and mechanically decoupled from each other in this example. As a result, the thermal stresses are significantly reduced. The connection between the Gaszuführelement 13 and the swirl generator 7 via provided on both components tabs 10 and 11, which are interconnected. In this way, minimal thermal stresses are achieved. In the figure, an opening or a circumferential gap 9 can still be seen on the swirl generator 7, which is necessary in order to allow a connection between the outlet openings 4 of the Gaszuführelements 13 and the swirl space 12.

Beim vorliegenden Beispiel ist der Eindüsungsbereich für den Brennstoff in den Brennerschalen völlig ausgeschnitten. Dabei wird das Gaszuführelement 13 direkt in diesen Ausschnitt der Brennerschalen 1 bzw. des Drallerzeugers 7 verankert. Damit ist das Spannungsproblem an den Verbindungsstellen von kaltem Gaszuführelement 13 und warmer Brennerschale gelöst. Der Drallerzeuger 7 selbst ist vorzugsweise aus zumindest zwei Teilschalen mit tangentialen Lufteintrittsschlitzen ausgebildet, wie dies bspw. EP 0 321 809 B1 bekannt ist.In the present example, the injection area for the fuel in the burner bowls is completely cut out. In this case, the gas supply element 13 is anchored directly in this section of the burner shells 1 and the swirl generator 7. Thus, the voltage problem is solved at the junctions of cold Gaszuführelement 13 and hot burner cup. The swirl generator 7 itself is preferably formed from at least two subshells with tangential air inlet slots, as for example. EP 0 321 809 B1 is known.

Figur 3 zeigt den Brenner der Figur 2 nochmals entlang der Schnittlinie B-B. In dieser Figur sind deutlich die beiden Teilschalen des Drallerzeugers 7 mit den tangentialen Lufteintrittsschlitzen 14 sowie die Brennstoff-Zuführungen 8 des Gaszuführelementes 13 zu erkennen. In diesen Brennstoff-Zuführungen 8 sind wiederum die jeweils 12 Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 angedeutet. Der Brenner ist von einem Gehäuse 15 umschlossen. Das Gaszuführelement 13 kann einerseits als ringförmiger Zuführungsschlitz zur Bildung eines einzigen Brennstoff-Zufuhrkanals 8 ausgebildet sein oder auch in getrennte Brennstoff-Zufuhrkanäle unterteilt sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, einzelne Zuführungsleitungen als Brennstoff-Zufuhrkanäle 8 bis zu den Austrittsöffnungen 4 zu führen.Figure 3 shows the burner of Figure 2 again along the section line B-B. In this figure, the two partial shells of the swirl generator 7 with the tangential air inlet slots 14 and the fuel feeds 8 of the gas supply element 13 can be clearly seen. In these fuel feeds 8, in turn, the respective 12 fuel outlet openings 4 are indicated. The burner is enclosed by a housing 15. The gas supply element 13 may be formed on the one hand as an annular feed slot for forming a single fuel supply channel 8 or be divided into separate fuel supply channels. Of course, it is also possible to lead individual supply lines as fuel supply channels 8 to the outlet openings 4.

Die Brennstoff-Zufuhrkanäle 8 sind für die Zuführung von Synthesegas auf den bis zu siebenfach größeren Brennstoffvolumenstrom im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffen angepasst und stellen insbesondere die notwendigen großen Strömungsquerschnitte zur Verfügung.The fuel supply channels 8 are adapted for the supply of synthesis gas to the up to seven times larger fuel volume flow compared to conventional fuels and provide in particular the necessary large flow cross sections available.

Selbstverständlich können bei einem derartigen Brenner auch zusätzliche Gaseindüsungskanäle entlang der Lufteintrittsschlitze 14 angeordnet sein, wie dies bei den bekannten Brennergeometrien des Standes der Technik, bspw. der bereits genannten EP 0 321 809 B1 der Fall ist. Über diese weiteren Brennstoff-Zufuhrkanäle kann üblicher Brennstoff zusätzlich oder alternativ zum Synthesegas in das Innenvolumen 12 eingedüst werden.Of course, in such a burner, additional gas injection channels may be arranged along the air inlet slots 14, as in the known burner geometries of the prior art, for example. The already mentioned EP 0 321 809 B1 the case is. Conventional fuel can be injected into the internal volume 12 in addition or as an alternative to the synthesis gas via these further fuel supply channels.

Figur 4 zeigt schematisch die Eindüsungsrichtung der Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 eines Brenners wie dem der Figuren 2 und 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der Teilansicht a) ist eine Hälfte des Brenners in Draufsicht mit den über den Umfang verteilt angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 zu erkennen. Die Eindüsungsrichtung der zwölf dargestellten Austrittsöffnungen 4 relativ zur radialen Richtung beträgt δ = 0°, d. h. dass alle aus den Austrittsöffnungen austretenden Brennstoffstrahlen auf die zentrale Längsachse des Brenners ausgerichtet sind, wie dies mit den in der Figur dargestellten Linien veranschaulicht ist.FIG. 4 schematically shows the direction of injection of the fuel outlet openings 4 of a burner such as that of FIGS. 2 and 3 according to an exemplary embodiment of the present invention. In the partial view a), one half of the burner can be seen in plan view with the fuel outlet openings 4 arranged distributed over the circumference. The injection direction of the twelve outlet openings 4 shown relative to the radial direction is δ = 0 °, d. H. that all fuel jets emerging from the outlet openings are aligned with the central longitudinal axis of the burner, as illustrated with the lines shown in the figure.

In Teilabbildung b) ist der in diesem Beispiel zwischen zwei Werten alternierende Eindüsungswinkel ψ relativ zur axialen Richtung des Brenners zu erkennen, der die Werte ψ = 40° und ψ = 50° annimmt. Alle geradzahligen Brennstoff-Austrittsöffnungen (II/IV/VI/VIII/X/XII) weisen den Eindüsungswinkel von 50°, alle ungeradzahligen Austrittsöffnungen 4 (I/III/V/VII/IX/XI) weisen den kleineren Eindüsungswinkel von ψ = 40° auf. Durch diese Variation des Eindüsungswinkels ψ über den Umfang des Brenners wird die lokale Vermischung des eingedüsten Brennstoffes mit der Brennluft aufgrund der unterschiedlichen Eindringtiefe der Brennstoffstrahlen verbessert. Der Überlapp der einzelnen Brennstoffstrahlen wird verringert, so dass der Brennstoff besser innerhalb der Drallströmung verteilt wird.In subfigure b), the injection angle θ, which alternates between two values in this example, can be seen relative to the axial direction of the burner, which assumes the values ψ = 40 ° and ψ = 50 °. All even-numbered fuel outlets (II / IV / VI / VIII / X / XII) have the injection angle of 50 °, all odd-numbered outlets 4 (I / III / V / VII / IX / XI) have the smaller injection angle from ψ = 40 °. By this variation of the injection angle ψ over the circumference of the burner, the local mixing of the injected fuel with the combustion air is improved due to the different penetration depth of the fuel jets. The overlap of the individual fuel jets is reduced, so that the fuel is better distributed within the swirl flow.

Eine verbesserte Verteilung lässt sich auch durch eine Variation der Öffnungsdurchmesser d der einzelnen Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 erreichen. So können diese bspw. in gleicher Weise wie die Eindüsungswinkel der Figur 4 zwischen zwei Werten alternieren, so dass jede zweite Austrittsöffnung den gleichen Öffnungsdurchmesser aufweist. Durch diese unterschiedlichen Öffnungsdurchmesser wird ebenfalls die Eindringtiefe des Brennstoffstrahls verändert, so dass eine bessere Verteilung und Durchmischung des Brennstoffes mit der Brennluft erreicht wird. Selbstverständlich lässt sich die Variation des Öffnungsdurchmessers jederzeit mit der Variation der Eindüsungswinkel kombinieren. Hierbei wird vorzugsweise ein größerer Öffnungsdurchmesser mit einem größeren Eindüsungswinkel kombiniert.An improved distribution can also be achieved by a variation of the opening diameter d of the individual fuel outlet openings 4. Thus, for example, they can alternate between two values in the same way as the injection angles of FIG. 4, so that every second outlet opening has the same opening diameter. These different opening diameters also change the penetration depth of the fuel jet so that a better distribution and mixing of the fuel with the combustion air is achieved. Of course, the variation of the opening diameter can be combined at any time with the variation of the injection angle. In this case, a larger opening diameter is preferably combined with a larger injection angle.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Eindüsung bei einem Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung. Auch diese Figur zeigt wiederum schematisch eine Hälfte eines Brenners gemäß der Figuren 2 bzw. 3 in Draufsicht, wobei in diesem Beispiel neun Austrittsöffnungen 4 zu erkennen sind. Jeweils drei dieser Austrittsöffnungen 4 sind in diesem Beispiel nahe beieinander angeordnet, so dass über den gesamten Umfang des Brenners insgesamt 6 Gruppen von Austrittsöffnungen 4 gebildet werden, von denen drei in der Figur dargestellt sind. Durch diese Gruppierung der Austrittsöffnungen 4 formen sich die aus den Austrittsöffnungen 4 einer Gruppe zunächst austretenden Einzelstrahlen zu einem Gesamtstrahl, der aufgrund dieser Zusammenführung einen großen Strahldurchmesser mit höherer Eindringtiefe aufweist. Durch diese Gruppierung lässt sich somit ebenfalls die Eindringtiefe des Brennstoffes in den Innenraum 12 des Brenners bzw. die Drallströmung lokal vergrößern.FIG. 5 shows a further embodiment of the injection in a burner according to the present invention. This figure again shows schematically a half of a burner according to Figures 2 and 3 in plan view, in this example, nine outlet openings 4 can be seen. In each case, three of these outlet openings 4 are arranged close to each other in this example, so that over the entire Scope of the burner are formed a total of 6 groups of outlet openings 4, three of which are shown in the figure. As a result of this grouping of the outlet openings 4, the individual jets emerging from the outlet openings 4 of a group form an overall jet which, due to this combination, has a large jet diameter with a higher penetration depth. By this grouping can thus also increase the penetration depth of the fuel into the interior 12 of the burner or the swirl flow locally.

In der Figur 5 sind hierbei zusätzlich unterschiedliche Eindüsungswinkel δ der einzelnen Gruppen von Austrittsöffnungen relativ zur radialen Richtung gewählt, die sich in einem Punkt 16 außerhalb der Brennerlängsachse 2 schneiden.In FIG. 5, in addition, different injection angles δ of the individual groups of outlet openings relative to the radial direction are selected, which intersect at a point 16 outside the longitudinal axis 2 of the burner.

Selbstverständlich lassen sich neben diesen Gruppen von Brennstoff-Austrittsöffnungen auch weitere, nicht gruppierte Austrittsöffnungen vorsehen, über die zusätzlich Brennstoffstrahlen mit geringerem Strahldurchmesser eingedüst werden. Auch eine Kombination mit unterschiedlichen Eindüsungswinkeln ψ relativ zur axialen Richtung und/oder unterschiedlichen Öffnungsdurchmessern der einzelnen Brennstoff-Austrittsöffnungen ist selbstverständlich möglich. So können bspw. gruppierte Austrittsöffnungen größere Öffnungsdurchmesser aufweisen als ungruppierte Austrittsöffnungen oder die Öffnungsdurchmesser der Austrittsöffnungen können von Gruppe zu Gruppe variieren.Of course, in addition to these groups of fuel outlet openings, it is also possible to provide further, non-grouped outlet openings, via which additionally fuel jets with a smaller jet diameter are injected. A combination with different injection angles ψ relative to the axial direction and / or different opening diameters of the individual fuel outlet openings is of course possible. Thus, for example, grouped outlet openings may have larger opening diameters than ungrouped outlet openings or the opening diameters of the outlet openings may vary from group to group.

Figur 6 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Eindüsung des Brennstoffes bei einem Brenner gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel variiert der Eindüsungswinkel δ relativ zur radialen Richtung des Brenners über den Brennerumfang, so dass sich die Eindüsungsrichtungen in einem Punkt 16 weit außerhalb der Brennerlängsachse 2 schneiden. Wird der Brennstoff hierbei gleichsinnig zur Richtung des sich im Innenvolumen 12 ausbildenden Dralls der Brennluft eingespritzt, ergibt sich eine größere Eindringtiefe als bei gegensinniger Eindüsung. Auch über diesen Eindüsungswinkel δ kann somit eine bessere Verteilung des Brennstoffes innerhalb der Drallströmung erreicht werden. Zusätzlich kann durch die gleichsinnige Eindüsung zur Richtung der Drallströmung die Stärke dieser Strömung vergrößert werden, so dass der Flammenstabilisationsprozess dadurch unterstützt werden kann. Auch diese Variation des Eindüsungswinkels δ relativ zur radialen Richtung lässt sich mit den vorangehend erläuterten Beispielen kombinieren. Selbstverständlich ist es auch möglich, einzelne Gruppen von Brennstoff-Austrittsöffnungen bezüglich ihres Eindüsungswinkels δ so auszubilden, dass ihre Eindüsungsrichtungen unterschiedliche Schnittpunkte 16 innerhalb des Innenvolumens des Brenners bilden.Figure 6 shows another example of fuel injection in a burner according to the present invention. In this example, the injection angle δ relative to the radial direction of the burner varies over the burner circumference, so that the injection directions intersect at a point 16 far outside the burner longitudinal axis 2. If the fuel in this case injected in the same direction to the direction of the forming in the inner volume 12 swirl of the combustion air, there is a greater penetration depth than in the opposite direction injection. Also over this injection angle δ thus a better distribution of the fuel within the swirl flow can be achieved. In addition, by the same direction injection to the direction of the swirl flow, the strength of this flow can be increased, so that the flame stabilization process can be supported. This variation of the injection angle δ relative to the radial direction can also be combined with the examples explained above. Of course, it is also possible to design individual groups of fuel outlet openings with respect to their injection angle δ such that their injection directions form different points of intersection 16 within the internal volume of the burner.

Es versteht sich von selbst, dass die in den vorangehenden Ausführungsbeispielen gezeigte Anzahl der Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 je nach Anforderung beliebig gewählt werden kann. Ebenso lassen sich selbstverständlich auch mehrere Reihen von Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 vorsehen, die gemäß der vorangehenden Beispiele ausgebildet sein können.It goes without saying that the number of fuel outlets 4 shown in the preceding embodiments can be arbitrarily selected depending on the requirement. Likewise, of course, it is also possible to provide a plurality of rows of fuel outlet openings 4, which may be formed in accordance with the preceding examples.

Auch bei einer Eindüsung des Brennstoffes über Brennstoff-Austrittsöffnungen, die in axialer Richtung der Brennerschalen angeordnet sind, lassen sich diese gemäß den vorangehenden Ausführungsbeispielen ausbilden. Dies ist beispielhaft aus Figur 7 ersichtlich, die in Teilabbildung a) eine bekannte Brennergeometrie mit dem Drallerzeuger 7 sowie den am Drallerzeuger 7 angeordneten Brennstoff-Zuführungen 8 mit entsprechenden Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 zeigt. Die Brennstoff-Austrittsöffnungen 4 der einzelnen Brennstoff-Zuführungen 8 können gemäß Teilabbildung b) bspw. mit unterschiedlichem Öffnungsdurchmesser ausgebildet sein, um unterschiedliche Eindringtiefen zu erreichen. In einer weiteren Ausgestaltung können die Kanalachsen der Austrittskanäle dieser Austrittsöffnungen 4 unterschiedliche Winkel sowohl zur radialen als auch zur axialen Richtung des Brenners bilden. Mit derartigen Ausgestaltungen lassen sich somit die gleichen Effekte erzielen, wie in Zusammenhang mit den vorangehenden Figuren erläutert.Even with an injection of the fuel via fuel outlet openings, which are arranged in the axial direction of the burner shells, they can be formed according to the preceding embodiments. This can be seen, for example, from FIG. 7, which shows a known burner geometry with the swirl generator 7 and the fuel feeders 8 arranged at the swirl generator 7 with corresponding fuel outlet openings 4 in subfigure a). The fuel outlet openings 4 of the individual fuel feeds 8 can be formed, for example, with different opening diameters, in order to achieve different penetration depths, in accordance with partial illustration b). In a further embodiment, the channel axes of the outlet channels of these outlet openings 4 can form different angles both to the radial and to the axial direction of the burner. With such embodiments can thus achieve the same effects, as explained in connection with the preceding figures.

Wenngleich die Erfindung in erste Linie an einem Doppelkegelbrenner einer aus der EP 0 321 809 B1 bekannten Bauart dargestellt wurde, erkennt der Fachmann ohne Weiteres die Anwendbarkeit der Erfindung auch an anderen Brennerbauarten und Drallerzeugergeometrien, bspw. wie sie aus der EP 780 629 oder der WO 93/17279 bekannt sind. Auch Abwandlungen dieser Brennergeometrien sind selbstverständlich möglich, solange sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennstoff-Austrittsöffnungen bei diesen Brennerarten realisieren lässt.Although the invention in the first place on a double-cone burner of the EP 0 321 809 B1 the skilled artisan readily recognizes the applicability of the invention to other types of burner and vortex generator geometries, for example. As it is known from the EP 780,629 or the WO 93/17279 are known. Modifications of these burner geometries are of course possible, as long as the inventive design of the fuel outlet openings can be realized in these burner types.

So zeigt bspw. Figur 8 ein Beispiel eines Drallerzeugers 7 mit einem rein zylindrischen Drallkörper 17, in den ein konischer Innenkörper 18 eingesetzt ist. In diesem Beispiel sind am brennraumseitigen Ende des Drallraums 12 die Austrittsöffnungen 4 für Synthesegas über den Umfang des Brenners verteilt angeordnet. Die Brennstoff-Zufuhrkanäle 8 sind in dieser Darstellung nicht eingezeichnet. Auch hier können zusätzlich an den nicht dargestellten tangentialen Lufteintrittsschlitzen weitere Gasaustrittsöffnungen für Erdgas einschließlich der dafür erforderlichen Zuleitungen vorgesehen sein.For example, FIG. 8 shows an example of a swirl generator 7 with a purely cylindrical swirl body 17 into which a conical inner body 18 is inserted. In this example, the outlet openings 4 for synthesis gas are distributed over the circumference of the burner at the combustion chamber end of the swirl chamber 12. The fuel supply channels 8 are not shown in this illustration. Again, in addition to the tangential air inlet slots, not shown, further gas outlet openings may be provided for natural gas, including the necessary supply lines.

Ein weiteres Beispiel eines Brenners, bei dem der Drallerzeuger 7 als Drallgitter ausgebildet ist, über das eintretende Brennluft 19 in Drall versetzt wird, ist schematisch in Figur 9 dargestellt. Über die zu Austrittsöffnungen im Bereich des Drallerzeugers 7 führenden Zuleitungen 20 kann zusätzlicher Brennstoff zur Premix-Beladung in die Brennluft 19 eingebracht werden. Die Zufuhr eines Pilotbrennstoffes oder eines Flüssigbrennstoffes wird über eine zentral in das Innenvolumen 12 ragende Düse 21 realisiert. Auch bei diesem Brenner sind am brennraumseitigen Ende des Innenvolumens 12 die Austrittsöffnungen 4 für das Synthesegas über den Umfang des Brenners verteilt angeordnet und werden über die Brennstoff-Zufuhrkanäle 8 mit Synthesegas beaufschlagt. Bei beiden Brennergeometrien der Figuren 8 und 9 lassen sich ersichtlich die gleichen Ausgestaltungen der Austrittsöffnungen 4 realisieren, wie bei dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Brenner.Another example of a burner, in which the swirl generator 7 is designed as a swirl lattice, is set in rotation by the incoming combustion air 19, is shown schematically in FIG. Via the supply lines 20 leading to outlet openings in the region of the swirl generator 7, additional fuel for premix loading can be introduced into the combustion air 19. The supply of a pilot fuel or a liquid fuel is realized via a centrally projecting into the inner volume 12 nozzle 21. Also in this burner, the outlet openings 4 are arranged distributed for the synthesis gas over the circumference of the burner at the combustion chamber end of the inner volume 12 and are acted upon via the fuel supply channels 8 with synthesis gas. In both burner geometries of FIGS. 8 and 9, the same configurations of the outlet openings 4 can be realized as in the case of the burner shown in FIGS. 2 and 3.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Brennerschaleburner shell
22: BrennerlängsachseBrenner axis
33: Frontpanelfront panel
44: erste Brennstoff-Austrittsöffnungfirst fuel outlet
55: AustrittskanalachseOutlet channel axis
66: Drallrichtungtwist direction
77: Drallerzeugerswirl generator
88th: erste Brennstoff-Zuführungfirst fuel feeder
99: Öffnungsschlitz im DrallerzeugerOpening slot in the swirl generator
1010: Laschen am DrallerzeugerTabs on the swirl generator
1111: Laschen am GaszuführelementTabs on Gaszuführelement
1212: Innenvolumen (Drallraum)Internal volume (swirl space)
1313: GaszuführelementGaszuführelement
1414: LufteintrittsschlitzeAir inlet slots
1515: Gehäusecasing
1616: Schnittpunktintersection
1717: Drallkörperswirler
1818: Innenkörperinner body
1919: Brennluftcombustion air
2020: Zuleitungenleads
2121: Düsejet

Claims

Premix burner, basically comprising a swirler (7) for a combustion air flow, and means for injection of fuel into the combustion air flow, wherein the swirler (7) has at least one combustion air inlet orifice for the combustion air flow which enters the burner, and the means for injection of fuel into the combustion air flow comprises at least one first fuel feed (8) with first fuel outlet orifices (4) which are arranged in a plane which lies perpendicularly to the longitudinal axis of the burner, in a distributed manner over the circumference of the burner, and which burner, furthermore, has an axial direction which is defined by a central longitudinal axis, and also a radial direction which is orientated on the central longitudinal axis respectively,
characterized in that
the first fuel outlet orifices (4) are formed in such a way that an injection angle of the first fuel outlet orifices (4) relative to the axial and/or to the radial direction varies over the circumference of the burner.
Burner, which basically comprises a swirler (7) for a combustion air flow, and means for injection of fuel into the combustion air flow, wherein the swirler (7) has at least one combustion air inlet orifice for the combustion air flow which enters the burner, and the means for injection of fuel into the combustion air flow comprises at least one first fuel feed (8) with first fuel outlet orifices (4) which are arranged in a plane which lies perpendicularly to the longitudinal axis of the burner, in a distributed manner over the circumference of the burner,
characterized in that
at least some of the first fuel outlet orifices (4) are arranged in at least one first group of fuel outlet orifices (4) which lie close together in such a way that each of the first groups creates a directed fuel jet with large jet cross section and increased penetration depth of the fuel jet compared with the jet of an individual outlet orifice.
Burner according to Claim 1,
characterized in that
at least some of the first fuel outlet orifices (4) are arranged in at least one first group of fuel outlet orifices (4) which lie close together in such a way that each of the first groups creates a directed fuel jet with large jet cross section and increased penetration depth of the fuel jet in relation to the jet of an individual outlet orifice.
Burner according to one of Claims 2 or 3,
characterized in that
at least some of the first groups of first fuel outlet orifices (4) differ due to different opening diameters of the respective fuel outlet orifices.
Burner according to one of Claims 2 to 4,
characterized in that
remaining first fuel outlet orifices (4), which are not arranged in first groups, have a smaller opening diameter than the first fuel outlet orifices (4) which are arranged in one or more first groups.
Burner according to one of the preceding Claims,
characterized in that
the injection angle of the first fuel outlet orifices (4) relative to the axial direction alternates over the circumference between at least two values.
Burner according to one of the preceding Claims,
characterized in that
the opening diameter of the first fuel outlet orifices (4) alternates over the circumference between at least two values.
Burner according to one of the preceding Claims,
characterized in that
first fuel outlet orifices (4) with a larger injection angle relative to the axial direction have a larger opening diameter than first fuel outlet orifices (4) with a smaller injection angle.
Burner according to one of the preceding Claims,
characterized in that
the injection angle relative to the radial direction is selected in such a way that fuel jets of different second groups of first fuel outlet orifices (4), which issue from the first fuel outlet orifices (4), intersect at different points (16) outside a central longitudinal axis (2) of the burner in each case.
Burner according to one of the preceding Claims,
characterized in that
the at least one first fuel feed (8) is mechanically decoupled from the swirler (7).
Burner according to Claim 10,
characterized in that
the at least one first fuel feed (8) with the first fuel outlet orifices (4) forms a first component (13) which encloses the swirler (7), wherein the swirler (7) on the end on the combustion chamber side has openings (9) for the access of the first outlet orifices (4) to an inner volume (12) of the burner.
Burner according to Claim 11,
characterized in that
the first component (13) is connected to the swirler (7) by means of connecting brackets (10, 11) .
Burner according to one of the preceding Claims,
characterized in that
the first fuel feed (8) is formed as an annular slot which extends on the circumference of the swirler (7).
Burner according to one of Claims 1 to 13,
characterized in that
at least one second fuel feed, with a group of second fuel outlet orifices which are arranged basically along the axial direction, is arranged on the swirler (7).
Burner according to Claim 14,
characterized in that
the at least one first fuel feed (8) is formed with a cross section which enables a volumetric flow which is many times higher than the at least one second fuel feed.
Burner according to either of Claims 14 or 15,
characterized in that
an internal component (18) is located in an inner volume (12) of the burner, wherein the second fuel outlet orifices of at least one second fuel feed are arranged basically on the internal component (18) in a distributed manner along the axial direction.
Burner according to one of Claims 14 to 16,
characterized in that
the second fuel outlet orifices are formed in such a way that the opening diameter of the second fuel outlet orifices and/or an injection angle of the second fuel outlet orifices relative to the axial and/or to the radial direction, vary along the fuel feeds and/or over the circumference of the burner.
Burner according to one of Claims 14 to 17,
characterized in that
at least some of the second fuel outlet orifices are arranged in at least one third group of fuel outlet orifices, which lie close together, in such a way that each third group creates a fuel jet with large jet cross section.
Burner according to one of Claims 14 to 18,
characterized in that
means are provided for independent control of the feed of premix fuel to a first fuel feed and to a second fuel feed.
Burner according to one of the preceding Claims,
characterized in that
the fuel outlet orifices are arranged on an end of the burner on the combustion chamber side, in a distributed manner over the circumference of the burner.
Gas turbine, comprising at least one burner according to one of the preceding Claims.