EP4487059A1 - Zufuhreinrichtung, brennersystem und verfahren - Google Patents

Zufuhreinrichtung, brennersystem und verfahren

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Publication number
EP4487059A1
EP4487059A1 EP23709616.9A EP23709616A EP4487059A1 EP 4487059 A1 EP4487059 A1 EP 4487059A1 EP 23709616 A EP23709616 A EP 23709616A EP 4487059 A1 EP4487059 A1 EP 4487059A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
nozzle
feed
injector element
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23709616.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik Schäfer
Fabian HAMPP
Oliver Lammel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4487059A1 publication Critical patent/EP4487059A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/283—Attaching or cooling of fuel injecting means including supports for fuel injectors, stems, or lances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F23D11/106—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting at the burner outlet
    • F23D11/107—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting at the burner outlet at least one of both being subjected to a swirling motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/24—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by pressurisation of the fuel before a nozzle through which it is sprayed by a substantial pressure reduction into a space
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details
    • F23D11/38—Nozzles; Cleaning devices therefor
    • F23D11/383—Nozzles; Cleaning devices therefor with swirl means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/11101—Pulverising gas flow impinging on fuel from pre-filming surface, e.g. lip atomizers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03282—High speed injection of air and/or fuel inducing internal recirculation

Definitions

  • the invention relates to a feed device, in particular for use in a gas turbine, for the swirl-free feed of oxidizer and fuel into a combustion chamber, comprising a feed nozzle with a nozzle channel bounded by a nozzle wall and aligned along a longitudinal axis L, in particular cylindrical, which is located in an outlet opening on the combustion chamber side to adjoin the combustion chamber, and an injector element for adding the fuel into the nozzle channel.
  • the invention also relates to a burner system with a feed device and a method for the swirl-free feed of oxidizer and fuel into a combustion chamber.
  • Such burner systems with at least one such supply device are also known as recirculation-stabilized jet flame burners for non-twisted high-speed combustion, or also FLOX® burner systems.
  • a burner system can be found, for example, in EP 1 918 641 A2.
  • the combustion zone in the combustion chamber is stabilized during operation by a large-scale, combustion-chamber-internal recirculation of exhaust gas, which forms due to the introduction of oxidizer/fuel jets with a sufficiently high axial momentum into the combustion chamber.
  • the recirculation brings the burnt, hot exhaust gas back to the jet root near the supply nozzles and mixes it with the incoming fresh gases.
  • the recirculation zone In a known ring-shaped arrangement of the feed nozzles, the recirculation zone generally occurs essentially radially inside the nozzle ring.
  • EP 0 769 655 A2 shows an airblast atomizer nozzle for operating a burner operated with liquid fuels.
  • the nozzle has a liquid fuel tube in an air supply line, around which a partition is arranged.
  • Two air ducts arranged concentrically to one another are formed by means of the intermediate wall, an inner air duct and an outer air duct. The airflow through the air passages is atomizing air. A main combustion air is added further downstream in the duct.
  • US 4 261 517 A discloses a fuel nozzle for introducing atomized fuel.
  • EP 0 660 038 A2 shows a fuel supply device for introducing a liquid fuel, the combustion air being wired by means of swirl generators.
  • US Pat. No. 8,590,812 B2 shows a fuel feed nozzle for feeding liquid and gaseous fuels into a combustion chamber.
  • the fuel can interact with the inner wall of the nozzle in burner systems of this type, so that enriched fuel on the inner wall of the nozzle reaches the combustion chamber as a ligament or in the form of large, poorly atomized droplets.
  • This has an immediate negative impact on burner system stability, operating envelope and emissions.
  • the object of the invention is to provide a supply device of the type mentioned at the outset for the stable operation of a burner system mentioned at the outset, as well as a corresponding burner system and method for the supply.
  • the supply device provides that the injector element is designed for the addition of liquid fuel and that a film-laying device, in particular a cylindrical one, surrounding the injector element (completely radially) is arranged radially between the injector element and the nozzle wall, with the nozzle wall and the radial outside an outer channel (for flow through with an external current) is formed in the film laying device.
  • a film-laying device in particular a cylindrical one, surrounding the injector element (completely radially) is arranged radially between the injector element and the nozzle wall, with the nozzle wall and the radial outside an outer channel (for flow through with an external current) is formed in the film laying device.
  • the film-laying device is in particular designed in the manner of a sleeve and/or in particular with open axial ends for the oxidant to flow through.
  • the cross section of the nozzle wall is constant over its length, for example.
  • the outer channel and/or the inner channel have in particular an annular gap with a gap height that is essentially constant in a respective cross section (at a constant axial position and/or at least largely over its axial length).
  • Switche free refers to the delivery of fuel and oxidizer into the combustion chamber. When fuel is added to the oxidizer flow within the feed nozzle, there may be a swirl flow.
  • the fuel may, for example, be a mixture of liquid hydrocarbons, e.g. B. a kerosene and / or (heating) oil, and / or act as a pure liquid hydrocarbon present.
  • the feed device and/or the burner system is/are also suitable for operation with fuels in other aggregates individual states can be combined, e.g. B. with gaseous or supercritical fuels, preferably in combination with a / a trained (separate) injector element and / or feed device.
  • Advantageous atomization of the fuel can be achieved by the film-laying device using the high momentum of the oxidizer flow within the feed nozzle.
  • the combination of film laying device and injector element makes it possible to use the high flow impulse of the process air (the oxidizer flow) available in a FLOX® burner system in the feed nozzle for atomization by means of the film laying device (especially at the atomization edge).
  • unwanted liquid interaction which is unfavorable for the burner system, is avoided on the inner wall of the feed nozzle.
  • the feed device is particularly suitable for very short overall lengths and feed nozzles and is also suitable for direct injection into the combustion chamber (atomization edge at the outflow opening).
  • An inner channel (for flow through with an inner stream) is preferably formed radially inside the film-laying device, in particular between the radial inner side of the film-laying device and the injector element.
  • the film laying device preferably has at least over a large part of its axial length (more than 50%, preferably over the entire axial length). essentially (e.g. apart from a functionally favorable shape at the edges) constant external dimensions, in particular a constant internal diameter diameter and/or outside diameter. In particular, the entire film laying device runs parallel to the nozzle wall.
  • the film-applying device has an atomizing edge at its downstream axial end, with the wall of the film-applying device in particular tapering towards the atomizing edge in order to obtain a sharp-edged configuration of the atomizing edge.
  • the atomization edge is preferably oriented in the axial direction, without a radial directional component, without forming a constriction, in order to avoid additional pressure losses or disturbances in the flow guidance.
  • the wall of the film laying device also tapers towards an upstream edge.
  • the injector element is preferably elongate (i.e. with a greater axial than radial extension) and/or protrudes into the feed nozzle.
  • the injector element has an at least essentially cylindrical and/or (e.g. apart from the downstream area, at the injection point) constant cross-section, at least within the feed nozzle and/or the film-applying device.
  • the feed nozzle, the film laying device and the injector element are preferably arranged coaxially to one another with respect to the longitudinal axis.
  • the injector element is arranged in particular centrally on the longitudinal axis. In operation, a symmetrical flow control can be achieved together with advantageous combustion properties (stability, low emissions).
  • the injection point of the fuel is preferably arranged on the injector device at the downstream end of the injector device and/or centrally, on the longitudinal axis (of the feed device or the feed nozzle). At the injection point, the fuel emerges from the injector element, in particular via a single, central outlet opening or via several outlet openings on the injector relement, into the feed nozzle (inside the film laying device). Undesirable wetting of the injector device is thus advantageously avoided.
  • the oxidizer flows (internal flow and external flow) and the axial directional component of the fuel (droplet) flow preferably point in the same axial direction, in the direction of the combustion chamber. There is no countercurrent introduction of the fuel into the oxidizer flow.
  • the injection point of the injector device is arranged axially between the atomization edge and an upstream edge of the film-laying device.
  • the upstream edge and the atomizing edge define the length of the film applicator, which is, for example, between one and five times the diameter of the film applicator.
  • the inner channel is formed in the form of an annular channel between the upstream edge and the injection point.
  • the injector element for adding a fuel cone is designed with an opening angle ⁇ (in the axial-radial direction) between 40° and 120°, in particular between 60° and 100°.
  • the fuel is preferably introduced into the feed nozzle with a twist, as a result of which the fuel cone is formed starting from the injection point.
  • the distance between the injection point and the atomization edge is preferably designed in such a way that (at least) part of the fuel impinges on the inside of the film-laying device, forming a fuel film (another part of the fuel, which is preferably atomized at the injection point, follows the internal flow directly into the feed nozzle).
  • the aim is for the axial extent of the fuel film to be as short as possible.
  • the distance between the injection point and the atomization edge is therefore designed in particular taking into account the opening angle a of the fuel cone for film formation.
  • the injector element is preferably designed as a pressure swirl injector, with a swirl generator being arranged in the injector element for imparting a swirl during fuel injection.
  • the relative fuel pressure pressure difference between the injector element and the combustion chamber) when it is introduced into the injector element is between 1 bar and 100 bar, for example.
  • the swirl generator has in particular a swirl chamber, in which fuel through several, z. B.
  • the (in particular circular) flow cross-section tapers towards the outlet opening, in particular conically, to a narrowest cross-section, and widens downstream of the narrowest cross-section steadily, in particular in a trumpet-like manner, to a larger cross-section (e.g. with 1, 2- to 3- multiple diameter) at the transition to the feed nozzle (outlet edge). Due to the particularly trumpet-like widening, the defined opening angle of the fuel cone can be maintained even with comparatively low mass flows due to the Coanda effect.
  • a continuous, sharp outlet edge is formed at the outlet opening of the injector element at the transition to the feed nozzle.
  • an angle between the wall surfaces converging at the exit edge is less than 90°.
  • the distance between the injection point and the film-layer atomization edge is preferably designed in such a way that at least part of the fuel impinges on the inside of the film-layer device during operation, forming a (atomizable) fuel film.
  • the distance between the injection point and the atomization edge depends in particular on the formation of the fuel film.
  • the length of the fuel film should be e.g. B. be at least 1-2 mm.
  • the shearing layer atomizes the film of fuel into fine droplets, which are carried further downstream with the oxidizer flow in the direction of the outlet opening.
  • the outer channel and the inner channel are designed to be coordinated with one another in such a way that, during operation, a total oxidant stream flowing through the nozzle channel is divided into an outer stream and an inner stream, with the velocity of the outer stream being greater than the velocity of the inner stream, e.g. B. by a factor of between 1.3 and 7, preferably between 2 and 5.
  • the external flow and the internal flow preferably flow in parallel to one another.
  • the external flow is used for atomization at the downstream end of the film-laying device and protects the nozzle wall from wetting the fuel.
  • the atomization into fuel droplets at the atomization edge takes place in particular due to the high shearing speeds of the external flow.
  • the inner flow interacts with the fuel downstream of the injection point. Downstream of the atomization edge, the fuel droplets follow the oxidizer flow.
  • an advantageous speed ratio (or a range of advantageous speed ratios, e.g. depending on the operating point)
  • three design factors in particular are taken into account: firstly, shearing between the external flow and the internal flow can be achieved, secondly, wetting of the nozzle wall with fuel downstream of the atomization edge by a high external impulse by means of the external flow can be avoided, and thirdly, a sufficiently high speed of the internal flow can be provided in order to advance the fuel film within the film-laying device to the atomization edge.
  • the design is carried out in particular using computer-aided flow simulation (CFD) and / or experimentally, with z.
  • CFD computer-aided flow simulation
  • B the ratio of the flow cross sections of the outer channel and the inner channel can be varied.
  • the maximum flow momentum for atomization at the atomization edge can be used if the feed nozzle at and/or downstream of the film laying device, in particular at and/or downstream of the atomization edge, does not have a reduction in the flow cross section.
  • An advantageous fastening of the film-laying device and/or the injector element can be achieved if the film-laying device is fastened to the nozzle wall by means of several, in particular three, fastening elements which center the injector element in particular on the radial inside of the film-laying device.
  • the fasteners are preferably streamlined, z. B. wing-like, formed and / or arranged symmetrically to each other about the longitudinal axis and / or at the same axial position.
  • the fastening elements are preferably arranged (as far as possible, but while maintaining mechanical stability) upstream of the injection point.
  • Another type of attachment is also conceivable, provided that it affects the flow as little as possible and/or ensures an axisymmetric alignment of the film application device and the longitudinal axis of the injector element.
  • the feed nozzle for adding oxidizer and liquid fuel to the combustion chamber is preferably designed with a high axial momentum, with an average flow velocity at the outlet opening of between 40 m/s and 160 m/s, in particular between 80 m/s and 140 m/s.
  • the main direction of flow points in particular at least for the most part, or exclusively, in the axial direction. In this way, a large-scale recirculation flow inside the combustion chamber is induced during operation to stabilize the combustion.
  • the interpretation refers z. B. on one or more design point / s.
  • a compact design of a burner system can be achieved if the supply device is designed for operation at a thermal output of 1 kW to 50 kW, for example between 10 kW and 20 kW (with regard to atmospheric pressure and/or air ratios between e.g. 0.8 and 2. 1 ) is designed. By means of higher pressure, the thermal output can be scaled accordingly with a comparable size.
  • the injector element is designed in particular for operation with a corresponding or low fuel mass flow (eg 0.1 to 1 g/s, in particular 0.2 to 0.8 g/s).
  • the diameter of the nozzle channel can, for. b. be between 7 mm and 13 mm.
  • the outer diameter of the injector element can, for. B. be between 20% and 70% of the diameter of the nozzle channel.
  • the outer diameter of the film laying device can, for. B. be between 50% and 85% of the diameter of the nozzle channel, wherein the inner diameter to form the inner channel is larger than the outer diameter of the injector element.
  • a plurality of feed devices are preferably used in a burner system, for example in a matrix and/or ring arrangement.
  • the feed device can also be used advantageously in applications with high power requirements, in which the focus is on the compact design of a burner system, for example in aviation.
  • a particularly compact design of the feed device can be achieved if the atomization edge, for direct injection, is arranged close (eg to a distance corresponding to a nozzle diameter or less) or at the axial height of the outlet opening.
  • FIG. 1 shows a burner system according to the invention with a plurality of feed devices and a combustion chamber in a simplified schematic representation
  • FIG. 2A,B shows a longitudinal section (FIG. 2A) and a cross-section A-A (FIG. 2B) of a supply device according to the invention for the untwisted addition of liquid fuel to a burner system, and
  • FIG. 3 A,B,C an exemplary injector element for use in the supply device according to FIG. 2 A, B in a perspective view from the side (FIG. 3A) and in longitudinal section (FIG. 3B, C).
  • the burner system 4 has a combustion chamber 3 and an end plate 6 which is arranged on the upstream side of the combustion chamber 3 and via which the feed devices 1 open into the combustion chamber 3 .
  • a large number of feed devices 1 can be present, the z. B. are arranged like a matrix and/or like a ring on the end plate 6 .
  • the feed devices 1 are used to introduce liquid fuel 27 and oxidizer 38 from a distributor side 2 (not shown here) into the combustion chamber 3 via the end plate 6.
  • the combustion chamber 3 extends axially along a central longitudinal axis M of the burner system 4 and z. B. radially rotationally symmetrical about the same.
  • the feed devices 1 extend along longitudinal axes L, which are aligned parallel to the central longitudinal axis M of the burner system 4 .
  • the fuel 27 can be, for example, a mixture of liquid hydrocarbons, e.g. B. a kerosene and / or (heating) oil, and / or act as a pure liquid hydrocarbon present.
  • the burner system 4 is designed in particular for operation with air ratios between 0.8 and 2.1.
  • the burner system 4 is designed as a recirculation-stabilized jet flame burner for non-twisted high-speed combustion.
  • unburned fuel 27 and oxidizer 38 are introduced into combustion chamber 3 without twisting with such a high axial momentum that a large recirculation zone 5 is formed in combustion chamber 3 to stabilize a combustion zone.
  • An average flow speed at the outlet opening(s) 12 is between 40 m/s and 160 m/s, for example.
  • Fig. 2A and Fig. 2B show the internal structure of the feed device 1 in a sectional view (Fig. 2A: longitudinal section, Fig. 2B: cross section A-A).
  • the feed device 1 has a feed nozzle 10 with an in particular cylindrical nozzle channel 14 with a constant cross section, for example, which is bounded by a nozzle wall 16 and aligned along the longitudinal axis L.
  • the nozzle channel 14 opens into a circular outlet opening 12 on the combustion chamber side, which is adjacent to the combustion chamber 3 in the installed state.
  • the feed device 1 comprises an injector element 24.
  • the injector element 24 is arranged in the nozzle channel 14 coaxially to the feed nozzle 10 on the longitudinal axis L.
  • An injection point 26 at which the fuel 27 entering the nozzle channel 14 during operation is arranged centrally on the longitudinal axis L at the downstream end of the injector element 24 for the most symmetrical introduction of fuel 27 possible.
  • the injector element 24 is designed, for example, as a pressure-swirl injector, with the liquid fuel 27 having a high relative fuel pressure, of z. B. up to 100 bar, is introduced into the injector element 24 and is wired by means of a swirl generator 46 located within the injector element 24 before introduction into the nozzle channel 14 .
  • Other configurations of the injector element 24 for introducing liquid fuel 27 are possible, in particular if an advantageous, uniform film formation can be achieved on the film laying device 18, for example using a “jet-in-crossflow” configuration.
  • Fig. 3A, Fig. 3B and Fig. 3C show the injector element 24 in an exemplary embodiment in a perspective view from the side (Fig. 3A) and in longitudinal section (Fig. 3B and Fig. 3C), with an outlet opening 48 in Fig. 3C is shown in a detail C.
  • the injector element 24 has an essentially cylindrical outer circumference.
  • the swirl generator 46 with a cylindrical swirl chamber 47 and, for example, three inlet openings 45 arranged symmetrically to one another for the swirl chamber 47 is arranged inside the injector element 24 . Downstream of the swirl generator 46 , the injector element 24 has the outlet opening 48 with a circumferentially sharp outlet edge 52 adjoining the feed nozzle 10 .
  • the swirl generator 46 is held by a securing element 44 .
  • a compression spring 42 for vibration decoupling of the swirl generator 46 is arranged upstream of the securing element 44 .
  • Fig. 3C shows in more detail, downstream of the swirl generator 46 the in particular circular flow cross-section tapers towards the outlet opening 48 initially conically to a narrowest cross-section 50, and widens downstream of the narrowest cross-section 50 steadily, in particular like a trumpet, to a larger one (e.g a 1.2 to 4 times) cross-section at the exit card 52 . Due to the particularly trumpet-like widening, the defined opening angle of the fuel cone can be maintained even with comparatively low mass flows.
  • the sharp trailing edge 52 is obtained in particular in that the angle between the converging wall surfaces at the trailing edge 52 is less than 90°. In this way, a first atomization of the fuel at the trailing edge 52 can be achieved.
  • the high pressure is used to generate fuel droplets on the injector element 24 which, due to the swirl in a fuel cone 28 emanating from the injection point 26 , enter the nozzle channel 14 .
  • An opening angle a of the fuel cone 28 can be between 60° and 100°, for example.
  • the feed device 1 has a film laying device 18 arranged radially between the injector element 24 and the nozzle wall 16 .
  • the film laying device 18 is sleeve-like, in particular cylindrical, and/or completely surrounds the injector element 24 radially.
  • An outer channel 30 is formed between the nozzle wall 16 and the radial outside of the film laying device 18, in which an outer stream 32 of the oxidizer 38 flows during operation.
  • An inner channel 24 is formed radially inside the film-laying device 18, between the radial inside of the film-laying device 18 and the injector element 24, in which an inner stream 36 of the oxidizer 38 flows during operation.
  • the inner channel 24 extends from an upstream edge 22 to the injection point 26 of the injector element 24.
  • the film laying device 18 is arranged coaxially with the feed nozzle 10 and the injector element 24 for a symmetrical flow guidance (cf. FIG. 2B).
  • the film laying device 18 is arranged in particular by means of several symmetrically arranged, z. B.
  • the fastening elements 40 are preferably arranged as far upstream as possible on the film laying device 18 in order to influence the flow at the injection point 26 and downstream thereof as little as possible.
  • the fastening elements 40 can advantageously protrude radially on the inside of the film laying device 18 in such a way that they also center the injector element 24 .
  • the film laying device 18 has an atomizing edge 20 at its downstream end.
  • the wall of the film laying device 18 tapers towards the atomization edge 20 in order to obtain the sharpest possible formation for fine droplet atomization.
  • the film laying device 18 has an edge 22 at its upstream end.
  • the edge 22 is shaped in a streamlined manner, for example in FIG. 2A with a tapered wall of the film laying device 18 in order to generate the lowest possible pressure loss and/or the lowest possible secondary flow (in particular turbulence).
  • the film applicator 18 is positioned axially within the feed nozzle 10 such that the injection point 26 is between the atomizing edge 20 and the upstream edge 22 of the film applicator 18 .
  • the axial length of the film laying device 18 between the atomizing edge 20 and the edge 22 depends on different parameters. On the one hand, inlet effects within the inner stream 36 should have at least largely subsided by the point of injection 26 .
  • the distance between the injection point 26 and the atomization edge 20 is preferably designed in such a way that at least part of the fuel 27 forms a fuel film on the inside of the film laying device 18 strikes. The distance is therefore designed taking into account the opening angle ⁇ of the fuel cone 28 in particular. At the same time, the distance for a compact design of the feed device 1 should be kept as small as possible.
  • the distance between the atomization edge 20 and the outlet opening 12 of the feed nozzle 10 can be varied depending on the combustion pattern to be achieved, between z. B. 0 mm (axial position of the atomization edge 20 on the outlet opening 12, corresponding to "direct injection") and z. B. up to ten times the diameter of the nozzle channel 16.
  • a particularly compact design of the feed device can be achieved by means of an arrangement as far downstream as possible.
  • the combustion process e.g. B. the flame length can be influenced.
  • the radial spacing of the nozzle wall 16, the film laying device 18 and the injector element 24 is based on an advantageous flow design.
  • the outer channel 30 and the inner channel 34 are designed in relation to one another in such a way that during operation the entire oxidizer stream flowing through the nozzle channel 14 is divided according to an advantageous ratio (“air split”). It has been found to be particularly advantageous if the speed of the external flow 32 z. B. by a factor between 1, 3 and 7 is greater than the speed of the inner flow 36.
  • a high shear rate between the outer flow 32 and the inner flow 36 for advantageous atomization at the atomization edge 20 a high external momentum by the outer flow 32 downstream of the atomization edge 20 in order to avoid wetting the nozzle wall 16 with fuel, and a sufficiently high velocity of the inner flow 36 to propel the fuel film within the film-laying device 18 to the atomization edge 20.
  • the design is carried out in particular using computer-aided flow simulation (CFD) and/or experimentally.
  • oxidizer 38 flows into feed nozzle 10 from manifold side 2 .
  • the entire oxidizer flow is divided into the outer flow 32 flowing through the outer channel 30 and the inner flow 36 flowing through the inner channel 34 at a lower speed.
  • the fuel 27 is introduced into the injector element 24 at a high relative fuel pressure (eg between 1 and 100 bar).
  • the fuel 27 flows through the inlet openings 45 into the swirl chamber 47.
  • the fuel e.g. B. by means of (optionally available) guide body, set in rotation with an axial and a tangential speed component and thus flows to the outlet opening of the injector element 24.
  • the injection point 26 is located at the outlet opening 48 of the injector element 24.
  • the swirl flow causes the radial flow downstream of the injection point 26
  • fuel 27 is atomized at the trailing edge 52 and in the fuel cone 28 with the opening angle a between 60° and 100°, e.g. B. 90 °, added.
  • a portion of the fuel 27 strikes the inside of the film applicator 18 a few millimeters (e.g. between 2 mm and 10 mm) upstream of the atomizing edge 20, thereby forming a fuel film (film of fuel 27) on the inside of the film applicator 18.
  • the other part of the atomized fuel 27 follows the inner flow 36 without coming into contact with the film laying device 18.
  • the inner flow 36 drives the fuel film up to the atomization edge 20 .
  • the inner flow 36 and the outer flow 32 meet at the atomization edge 20, with a shearing layer forming due to the speed difference.
  • the oxidizer flow is utilized by utilizing the high momentum and the fuel film is broken down into fine droplets by means of the shearing layer. fen atomized, which are further carried downstream in the direction of the outlet opening 12 with the oxidant flow.
  • the comparatively high impulse of the external flow 32 has the effect that the fuel droplets do not wet the nozzle wall 16, but rather are carried into the combustion chamber 3 as completely as possible with the oxidant flow. Combustion of the oxidizer-fuel mixture takes place in the combustion chamber 3 .
  • the first atomization contributes in particular to the formation of a uniform Fuel film on the inner periphery of the film laying device 18 at.
  • a single feeder may be designed to operate at a thermal power of e.g. B. be designed between 5 kW and 30 kW (scaling up or down possible).
  • a thermal power e.g. B. be designed between 5 kW and 30 kW (scaling up or down possible).
  • both applications with comparatively moderate power density and/or moderate energy requirements e.g. in decentralized energy conversion
  • applications with a high required power and / or power density z. B. Aerospace applications.
  • a burner system designed according to the concept of the recirculation-stabilized jet flame burner for non-swirled high-speed combustion can also be operated stably, reliably and with low emissions using the above-mentioned advantageous measures (individually or in combination) for the design of a single supply device 1, even with liquid fuels with a comparatively short flame length. whereby a compact burner system can be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zufuhreinrichtung (1), insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbine, zur drallfreien Zufuhr von Oxidator (38) und Brennstoff (27) in einen Brennraum (3), umfassend eine Zufuhrdüse (10) mit einem von einer Düsenwand (16) umgrenzten, entlang einer Längsachse (L) ausgerichteten, insbesondere zylindrischen, Düsenkanal (14), der in einer brennkammerseitigen Austrittsöffnung (12) zur Angrenzung an den Brennraum (3) mündet, und ein Injektorelement (24) zur Zugabe des Brennstoffes (27) in den Düsenkanal (14) an einem Einspritzpunkt (26). Ein stabiler Betrieb mit der Zufuhreinrichtung wird dadurch erreicht, dass das Injektorelement (24) zur Zugabe von flüssigem Brennstoff (27) ausgebildet ist und dass radial zwischen dem Injektorelement (24) und der Düsenwand (16) eine das Injektorelement (24) umgebende, insbesondere zylindrische, Filmlegervorrichtung (18) angeordnet ist, wobei zwischen der Düsenwand (16) und der radialen Außenseite der Filmlegervorrichtung (18) ein Außenkanal (30) gebildet ist und radial innerhalb der Filmlegervorrichtung (18), insbesondere zwischen der radialen Innenseite der Filmlegervorrichtung (18) und dem Injektorelement (24), ein Innenkanal (34) gebildet ist.

Description

Zufuhreinrichtung, Brennersystem und Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Zufuhreinrichtung, insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbine, zur drallfreien Zufuhr von Oxidator und Brennstoff in einen Brennraum, umfassend eine Zufuhrdüse mit einem von einer Düsenwand umgrenzten, entlang einer Längsachse L ausgerichteten, insbesondere zylindrischen, Düsenkanal, der in einer brennkammerseitigen Austrittsöffnung zur Angrenzung an den Brennraum mündet, und ein Injektorelement zur Zugabe des Brennstoffes in den Düsenkanal. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennersystem mit einer Zufuhreinrichtung sowie ein Verfahren zur drallfreien Zufuhr von Oxidator und Brennstoff in einen Brennraum.
Derartige Brennersysteme mit zumindest einer derartigen Zufuhreinrichtung sind auch als rezirkulationsstabilisierte Strahlflammenbrenner zur unverdrallten Hochgeschwindigkeitsverbrennung, oder auch FLOX®-Brennersysteme, bekannt. Ein solches Brennersystem geht beispielsweise aus der EP 1 918 641 A2 hervor. Dabei wird die Verbrennungszone in dem Brennraum im Betrieb durch eine großräumige, brennkammerinterne Rezirkulation von Abgas stabilisiert, die sich aufgrund Einbringung von Oxidator-ZBrennstoffstrahlen mit einem ausreichend hohen axialen Impuls in die Brennkammer 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, ringförmigen Anordnung der Zufuhrdüsen entsteht die Rezirkulationszone in der Regel im Wesentlichen radial innerhalb des Düsenrings.
Die EP 0 769 655 A2 zeigt eine Airblast-Zerstäuberdüse für den Betrieb eines mit flüssigen Brennstoffen betriebenen Brenners. Die Düse weist in einer Luftzuführungsleitung ein Flüssigbrennstoffrohr auf, um welches eine Zwischenwand angeordnet ist. Mittels der Zwischenwand sind zwei konzentrisch zueinander angeordnete Luftkanäle gebildet, ein innerer Luftkanal und ein äußerer Luftkanal. Bei dem durch die Luftkanäle strömenden Luftstrom handelt es sich um Zerstäuberluft. Eine Hauptbrennluft wird in dem Kanal weiter stromab zugegeben.
Die US 4 261 517 A offenbart eine Brennstoffdüse zur Einbringung von zerstäubtem Brennstoff.
Die EP 0 660 038 A2 zeigt eine Brennstoffzufuhrvorrichtung zum Einbringen eines flüssigen Brennstoffes, wobei die Verbrennungsluft mittels Drallerzeugern verdraht wird.
Die US 8 590 812 B2 zeigt eine Brennstoffzufuhrdüse zur Zufuhr flüssiger und gasförmiger Brennstoffe in eine Brennkammer.
Unter Einsatz flüssiger Brennstoffe kann es bei derartigen Brennersystemen zur Interaktion des Brennstoffes mit der Düseninnenwand kommen, sodass angereicherter Brennstoff an der Düseninnenwand als Ligament oder in Form von schlecht zerstäubten, großen Tropfen den Brennraum erreicht. Dies hat unmittelbare negative Auswirkung auf die Stabilität, den Betriebsbereich und die Emissionen des Brennersystems. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zufuhreinrichtung der eingangs genannten Art zum stabilen Betrieb eines eingangs genannten Brennersystems bereitzustellen, sowie ein entsprechendes Brennersystem und Verfahren zur Zufuhr.
Die Aufgabe wird für die Zufuhreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , für das Brennersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 20 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst.
Erfindungsgemäß ist bei der Zufuhreinrichtung vorgesehen, dass das Injektorelement zur Zugabe von flüssigem Brennstoff ausgebildet ist und dass radial zwischen dem Injektorelement und der Düsenwand eine das Injektorelement (vollständig radial) umgebende, insbesondere zylindrische, Filmlegervorrichtung angeordnet ist, wobei zwischen der Düsenwand und der radialen Außenseite der Filmlegervorrichtung ein Außenkanal (zur Durchströmung mit einem Außenstrom) gebildet ist.
Die Filmlegervorrichtung ist insbesondere hülsenartig und/oder insbesondere mit offenen axialen Enden, zur Durchströmung mit Oxidator, ausgebildet.
Der Querschnitt der Düsenwand ist beispielsweise über die Länge konstant. Der Außenkanal und/oder der Innenkanal weisen insbesondere einen Ringspalt mit in einem jeweiligen Querschnitt (auf konstanter axialer Position und/oder zumindest großteils über ihre axiale Länge) im Wesentlichen konstanter Spalthöhe auf.
„Drallfrei“ bezieht sich auf die Zufuhr von Brennstoff und Oxidator in den Brennraum. Bei Zugabe des Brennstoffes in die Oxidatorströmung innerhalb der Zufuhrdüse kann eine Drallströmung vorhanden sein.
Bei dem Brennstoff kann es sich beispielsweise um ein Gemisch von flüssigen Kohlenwasserstoffen, z. B. ein Kerosin und/oder (Heiz-)ÖI, und/oder einen als Reinstoff vorliegenden flüssigen Kohlenwasserstoff handeln. Die Zufuhreinrichtung und/oder das Brennersystem ist/sind auch zum Betrieb mit Brennstoffen in anderen Aggre- gatszuständen kombinierbar, z. B. mit gasförmigen oder überkritischen Brennstoffen, vorzugsweise in Kombination mit einem/einer dafür ausgebildeten (separaten) Injektorelement und/oder Zufuhreinrichtung.
Durch die Filmlegervorrichtung ist eine vorteilhafte Zerstäubung des Brennstoffes unter Ausnutzung des hohen Impulses der Oxidatorströmung innerhalb der Zufuhrdüse erreichbar. Die Kombination aus Filmlegervorrichtung und Injektorelement ermöglicht es, den in einem FLOX®-Brennersystem zur Verfügung stehenden, hohen Strömungsimpuls der Prozessluft (des Oxidatorstroms) in der Zufuhrdüse zur Zerstäubung mittels der Filmlegervorrichtung (insbesondere an der Zerstäubungskante) zu nutzen. Gleichzeitig wird eine ungewollte, für das Brennersystem ungünstige, Flüssigkeitsinteraktion an der Innenwand der Zufuhrdüse vermieden. Die Zufuhreinrichtung eignet sich besonders für sehr kurze Baulängen und Zufuhrdüsen und ist auch zur Direkteinspritzung in den Brennraum (Zerstäubungskante an der Ausströmöffnung) geeignet.
Vorzugsweise ist radial innerhalb der Filmlegervorrichtung, insbesondere zwischen der radialen Innenseite der Filmlegervorrichtung und dem Injektorelement, ein Innenkanal (zur Durchströmung mit einem Innenstrom) gebildet. Diese Ausbildung ermöglicht eine Aufteilung des gesamten durch die Zufuhrdüse strömenden Oxidatorstroms in einen Außenstrom und einen Innenstrom, wodurch vorteilhaft Freiheitsgrade zur Auslegung zugunsten einer verbesserten Zerstäubung und Brennstoffplatzierung erhalten werden.
Insbesondere für eine vorteilhafte Strömungsführung, mit möglichst geringem Druckverlust und/oder unter Vermeidung von Sekundärströmung (z. B. Verwirbelungen), weist vorzugsweise die Filmlegervorrichtung zumindest über einen Großteil ihrer axialen Länge (mehr als 50 %, vorzugsweise über die gesamte axiale Länge) zumindest im Wesentlichen (z. B. abgesehen von einer funktional günstigen Formgebung an den Kanten) konstante Außenmaße, insbesondere einen konstanten Innendurch- messer und/oder Außendurchmesser, auf. Insbesondere verläuft die gesamte Filmlegervorrichtung parallel zu der Düsenwand.
Für eine effektive Zerstäubung weist die Filmlegervorrichtung an ihrem stromabseitigen axialen Ende eine Zerstäubungskante auf, wobei sich insbesondere die Wandung der Filmlegervorrichtung hin zu der Zerstäubungskante verjüngt, um eine scharfkantige Ausbildung der Zerstäubungskante zu erhalten. Vorzugsweise ist die Zerstäubungskante in axiale Richtung ausgerichtet, ohne radiale Richtungskomponente, ohne Bildung einer Einschnürung, um zusätzliche Druckverluste oder Störung in der Strömungsführung zu vermeiden. Für eine strömungsgünstige Formgebung verjüngt sich die Wandung der Filmlegervorrichtung zu einer stromaufseitigen Kante hin ebenfalls.
Das Injektorelement ist vorzugsweise länglich (d. h. mit größerer axialer als radialer Ausdehnung) ausgebildet und/oder ragt in die Zufuhrdüse hinein. Das Injektorelement weist insbesondere zumindest innerhalb der Zufuhrdüse und/oder der Filmlegervorrichtung einen zumindest im Wesentlichen zylindrischen und/oder (z. B. abgesehen von dem stromabseitigen Bereich, am Einspritzpunkt) konstanten Querschnitt auf.
Vorzugsweise sind die Zufuhrdüse, die Filmlegervorrichtung und das Injektorelement koaxial zueinander bzgl. der Längsachse angeordnet. Das Injektorelement ist insbesondere zentral auf der Längsachse angeordnet. So ist im Betrieb eine symmetrische Strömungsführung einhergehend mit vorteilhaften Verbrennungseigenschaften (Stabilität, geringe Emissionen) erreichbar.
Vorzugsweise ist an der Injektorvorrichtung der Einspritzpunkt des Brennstoffes an dem stromab gelegenen Ende der Injektorvorrichtung und/oder zentral, auf der Längsachse (der Zufuhreinrichtung bzw. der Zufuhrdüse) angeordnet. An dem Einspritzpunkt tritt der Brennstoff aus dem Injektorelement insbesondere über eine einzelne, zentrale Austrittsöffnung oder über mehrere Austrittsöffnung an dem Injekto- relement, in die Zufuhrdüse (innerhalb der Filmlegervorrichtung) ein. Eine unerwünschte Benetzung der Injektorvorrichtung wird so vorteilhaft vermieden. Die Oxi- datorströme (Innenstrom und Außenstrom) sowie die axiale Richtungskomponente der Brennstoff-(Tropfen-)strömung weisen vorzugsweise in die gleiche axiale Richtung, in Richtung Brennraum. Eine Gegenstromeinbringung des Brennstoffes in den Oxidatorstrom erfolgt nicht.
In einer bevorzugten Ausbildungsvariante ist der Einspritzpunkt der Injektorvorrichtung axial zwischen der Zerstäubungskante und einer stromaufseitigen Kante der Filmlegervorrichtung angeordnet. Die stromaufseitige Kante und die Zerstäubungskante definieren die Länge der Filmlegervorrichtung, die beispielsweise zwischen einmal und fünfmal dem Durchmesser der Filmlegervorrichtung beträgt. Zwischen der stromaufseitigen Kante und dem Einspritzpunkt ist insbesondere der Innenkanal in Form eines Ringkanals gebildet.
Eine vorteilhafte Benetzung der Innenseite der Filmlegervorrichtung zur Filmbildung ist erreichbar, wenn das Injektorelement zur Zugabe eines Brennstoffkegels mit einem Öffnungswinkel a (in axial-radialer Richtung) zwischen 40° und 120°, insbesondere zwischen 60° und 100°, ausgebildet ist. Der Brennstoff wird dabei vorzugsweise drallbehaftet in die Zufuhrdüse eingebracht, wodurch sich ausgehend von dem Einspritzpunkt der Brennstoffkegel ausbildet. Der Abstand zwischen dem Einspritzpunkt und der Zerstäubungskante ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass (zumindest) ein Teil des Brennstoffes unter Bildung eines Brennstofffilms auf die Innenseite der Filmlegervorrichtung auftrifft (ein anderer Teil des vorzugsweise am Einspritzpunkt zerstäubten Brennstoffes folgt z. B. dem Innenstrom direkt in die Zufuhrdüse). Für eine kompakte Bauweise wird eine möglichst kurze axiale Ausdehnung des Brennstofffilms angestrebt. Der Abstand zwischen Einspritzpunkt und Zerstäubungskante wird daher insbesondere unter Berücksichtigung des Öffnungswinkels a des Brennstoffkegels zur Filmbildung ausgelegt. Für eine besonders kompakte Ausbildung und über den Umfang gleichmäßige Brennstoffverteilung auf der Filmlegervorrichtung (gleichmäßige Filmbildung) ist das Injektorelement vorzugsweise als Druck-Drall-Injektor ausgebildet, wobei in dem Injektorelement ein Drallerzeuger zur Drallaufprägung bei der Brennstoffeinspritzung angeordnet ist. Der Brennstoffrelativdruck (Druckdifferenz Injektorelement zu Brennraum) bei Einbringung in das Injektorelement beträgt beispielsweise zwischen 1 bar und 100 bar. Der Drallerzeuger weist insbesondere eine Drallkammer auf, in welche Brennstoff durch mehrere, z. B. drei, symmetrisch zueinander, tangential zur Drallkammerwand angeordnete Öffnungen eingeleitet wird. Dadurch wird der Brennstoffströmung in der Drallkammer eine axiale und eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente aufgeprägt. Die Brennstoffströmung strömt unter Erhalt dieser Geschwindigkeitskomponente durch die Austrittsöffnung des Injektorelements. An der Austrittsöffnung des Injektorelements liegt der Einspritzpunkt. Die Drallströmung bewirkt stromab des Einspritzpunkts die radiale Richtungskomponente der Brennstoffströmung zur kegelförmigen Einbringung des Brennstoffes in die Zufuhrdüse innerhalb der Filmlegervorrichtung.
Vorzugsweise verjüngt sich der (insbesondere kreisförmige) Strömungsquerschnitt hin zu der Austrittsöffnung zunächst insbesondere konisch zu einem engsten Querschnitt, und weitet sich stromab des engsten Querschnittes stetig, insbesondere trompetenartig, auf einen größeren Querschnitt (z. B. mit 1 ,2- bis 3-fachem Durchmesser) am Übergang in die Zufuhrdüse (Austrittskante) auf. Durch die insbesondere trompetenartige Aufweitung kann der definierte Öffnungswinkel des Brennstoffkegels auch bei vergleichsweise geringen Massenströmen durch den Coanda-Effekt aufrechterhalten werden.
In einer bevorzugten Ausbildungsvariante ist an der Austrittsöffnung des Injektorelements am Übergang in die Zufuhrdüse eine um laufende, scharfe Austrittskante ausgebildet. Insbesondere beträgt ein Winkel zwischen den an der Austrittskante zusammenlaufenden Wandflächen weniger als 90°. Auf diese Weise kann eine (erste) Zerstäubung des Brennstoffes zur gleichmäßigen Filmbildung sowie eine definierte, vollständige Brennstoffeinbringung, ohne Benetzung der Außenseite der Injektorvorrichtung, erreicht werden.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem Einspritzpunkt und der Filmleger- Zerstäubungskante derart ausgelegt, dass zumindest ein Teil des Brennstoffes im Betrieb auf der Innenseite der Filmlegervorrichtung unter Bildung eines (zerstäubungsfähigen) Brennstofffilms auftrifft. Der Abstand zwischen dem Einspritzpunkt und der Zerstäubungskante richtet sich insbesondere nach der Ausbildung des Brennstofffilms. Die Länge des Brennstofffilms sollte z. B. mindestens 1-2 mm betragen. An der scharfen Zerstäubungskante wird unter Ausnutzung des hohen Impulses der Oxidatorströmung mittels der Scherschicht der Film aus Brennstoff in feine Tropfen zerstäubt, die mit der Oxidatorströmung weiter stromab in Richtung Austrittsöffnung getragen werden.
Vorzugsweise sind der Außenkanal und der Innenkanal durch Auslegung derart aufeinander abgestimmt, dass sich im Betrieb ein gesamter, durch den Düsenkanal strömender Oxidatorstrom in einen Außenstrom und einen Innenstrom aufteilt, wobei die Geschwindigkeit des Außenstroms größer ist als die Geschwindigkeit des Innenstroms, z. B. um einen Faktor zwischen 1 ,3 und 7, vorzugsweise zwischen 2 und 5. Der Außenstrom und der Innenstrom strömen vorzugsweise im Gleichstrom zueinander. Der Außenstrom dient zur Zerstäubung am stromabseitigen Ende der Filmlegervorrichtung und schützt die Düsenwand vor Brennstoffbenetzung. Die Zerstäubung in Brennstofftropfen an der Zerstäubungskante erfolgt insbesondere durch hohe Schergeschwindigkeiten des Außenstroms. Der Innenstrom interagiert mit dem Brennstoff stromab des Einspritzpunktes. Stromab der Zerstäubungskante folgen die Brennstofftropfen dem Oxidatorstrom.
Zur Ermittlung eines vorteilhaften Geschwindigkeitsverhältnisses (oder eines Bereiches an vorteilhaften Geschwindigkeitsverhältnissen, z. B. je nach Betriebspunkt) werden insbesondere drei Auslegungsfaktoren berücksichtigt: erstens soll für eine vorteilhafte Zerstäubung an der Zerstäubungskante eine Scherung zwischen dem Außenstrom und dem Innenstrom erreicht werden, zweitens eine Benetzung der Düsenwand mit Brennstoff stromab der Zerstäubungskante durch einen hohen Außenimpuls mittels des Außenstroms vermieden werden, und drittens eine ausreichend hohe Geschwindigkeit des Innenstroms bereitgestellt werden, um den Brennstofffilm innerhalb der Filmlegervorrichtung an die Zerstäubungskante voranzutreiben. Die Auslegung erfolgt insbesondere unter Verwendung computergestützter Strömungssimulation (CFD) und/oder experimentell, wobei z. B. das Verhältnis der Strömungsquerschnitte des Außenkanals und des Innenkanals variiert werden kann.
Vorteilhafterweise kann der maximale Strömungsimpuls für die Zerstäubung an der Zerstäubungskante genutzt werden, wenn die Zufuhrdüse an und/oder stromab der Filmlegervorrichtung, insbesondere an und/oder stromab der Zerstäubungskante, keine Verringerung des Strömungsquerschnitts aufweist.
Eine vorteilhafte Befestigung der Filmlegervorrichtung und/oder des Injektorelements ist erreichbar, wenn die Filmlegervorrichtung mittels mehrerer, insbesondere dreier, Befestigungselemente, an der Düsenwand befestigt ist, die insbesondere auf der radialen Innenseite der Filmlegervorrichtung das Injektorelement zentrieren. Die Befestigungselemente sind vorzugsweise strömungsgünstig, z. B. flügelartig, ausgebildet und/oder symmetrisch zueinander um die Längsachse und/oder auf der gleichen axialen Position angeordnet. Für eine möglichst geringe Beeinflussung der Strömung an dem und/oder stromab des Einspritzpunkt/s sind die Befestigungselemente vorzugsweise (möglichst weit, jedoch unter Aufrechterhaltung der mechanischen Stabilität) stromauf des Einspritzpunktes angeordnet. Auch eine andere Art der Befestigung ist denkbar, soweit diese die Strömung geringstmöglich beeinflusst und/oder eine achsensymmetrische Ausrichtung der Filmlegervorrichtung und der Längsachse des Injektorelements sicherstellt.
Vorzugsweise ist die Zufuhrdüse zur Zugabe von Oxidator und flüssigem Brennstoff in den Brennraum mit einem hohen axialen Impuls ausgebildet, wobei eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit an der Austrittsöffnung zwischen 40 m/s und 160 m/s, insbesondere zwischen 80 m/s und 140 m/s, beträgt. Die Hauptströmungsrichtung weist insbesondere zumindest großteils, oder ausschließlich, in axiale Richtung. Auf diese Weise wird im Betrieb eine brennkammerinterne, großräumige Rezirkulations- strömung zur Stabilisierung der Verbrennung induziert. Die Auslegung bezieht sich z. B. auf einen oder mehrere Auslegungspunkt/e.
Eine kompakte Ausgestaltung eines Brennersystems ist erreichbar, wenn die Zufuhreinrichtung zum Betrieb bei einer thermischen Leistung von 1 kW bis 50 kW, beispielsweise zwischen 10 kW und 20 kW (bzgl. Atmosphärendruck und/oder Luftzahlen zwischen z. B. 0,8 und 2,1 ) ausgelegt ist. Mittels höherem Druck ist die thermische Leistung bei vergleichbarer Baugröße entsprechend skalierbar. Dabei ist das Injektorelement insbesondere für einen Betrieb mit einem entsprechenden bzw. geringen Brennstoffmassenstrom ausgelegt (z. B. 0,1 bis 1 g/s, insbesondere 0,2 bis 0,8 g/s). Der Durchmesser des Düsenkanals kann z. b. zwischen 7 mm und 13 mm betragen. Der Außendurchmesser des Injektorelements kann z. B. zwischen 20 % und 70 % des Durchmessers des Düsenkanals betragen. Der Außendurchmesser der Filmlegervorrichtung kann z. B. zwischen 50 % und 85 % des Durchmessers des Düsenkanals betragen, wobei der Innendurchmesser zur Bildung des Innenkanals größer ist als der Außendurchmesser des Injektorelements.
Die vorstehend angegebenen Auslegungsmerkmale bewirken (einzeln oder in Kombination) auch bei einer kompakten Ausbildung der Zufuhreinrichtung eine äußerst vorteilhafte Anwendbarkeit mit vergleichsweise geringer Flammenlänge, die die Verwendung einer vergleichsweise kurzen Brennkammer ermöglicht. Für erforderliche hohe Leistungen werden vorzugsweise mehrere Zufuhreinrichtungen in einem Brennersystem beispielsweise in einer Matrix- und/oder Ringanordnung eingesetzt. So lässt sich die Zufuhreinrichtung auch in Anwendungen mit hohem Leitungsbedarf vorteilhaft verwenden, bei denen die kompakte Ausbildung eines Brennersystems im Vordergrund steht, beispielsweise in der Luftfahrt. Eine besonders kompakte Ausbildung der Zufuhreinrichtung ist erreichbar, wenn die Zerstäubungskante, zur Direkteinspritzung, nahe (z. B. einer Strecke entsprechend eines Düsendurchmessers oder geringer) oder auf axialer Höhe der Austrittsöffnung angeordnet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Brennersystem mit mehreren Zufuhreinrichtungen und einem Brennraum in vereinfachter schematischer Darstellung,
Fig. 2 A,B eine erfindungsgemäße Zufuhreinrichtung zur unverdrallten Zugabe von flüssigem Brennstoff in ein Brennersystem in einem Längsschnitt (Fig. 2A) und in einem Querschnitt A-A (Fig. 2B), und
Fig. 3 A,B,C ein beispielhaftes Injektorelement zum Einsatz in der Zufuhreinrichtung gemäß Fig. 2 A, B in perspektivischer Ansicht von der Seite (Fig. 3A) und im Längsschnitt (Fig. 3B, C).
Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Einbausituation von (nicht im Detail dargestellten) erfindungsgemäßen Zufuhreinrichtungen 1 in einem Brennersystem 4, das sich insbesondere für den Einsatz in Gasturbinen in der Luftfahrt oder in Anwendungen zu Energieerzeugung eignet. Das Brennersystem 4 weist einen Brennraum 3 und eine an der stromaufgelegenen Seite des Brennraums 3 angeordnete Stirnplatte 6 auf, über welche die Zufuhreinrichtungen 1 in den Brennraum 3 münden. Dabei kann insbesondere eine Vielzahl von Zufuhreinrichtungen 1 vorhanden sein, die z. B. matrix- artig und/oder ringartig auf der Stirnplatte 6 angeordnet sind. Die Zufuhreinrichtungen 1 dienen zur Einbringung von flüssigem Brennstoff 27 und Oxidator 38 von einer (hier nicht näher dargestellten) Verteilerseite 2 in den Brennraum 3 über die Stirnplatte 6. Der Brennraum 3 erstreckt sich axial entlang einer Mittellängsachse M des Brennersystems 4 und z. B. radial rotationssymmetrisch um dieselbe. Die Zufuhreinrichtungen 1 erstrecken sich entlang von Längsachsen L, die parallel zu der Mittellängsachse M des Brennersystems 4 ausgerichtet sind.
Bei dem Brennstoff 27 kann es sich beispielsweise um ein Gemisch von flüssigen Kohlenwasserstoffen, z. B. ein Kerosin und/oder (Heiz-)ÖI, und/oder einen als Reinstoff vorliegenden flüssigen Kohlenwasserstoff handeln. Das Brennersystem 4 ist dabei insbesondere zum Betrieb mit Luftzahlen zwischen 0.8 und 2.1 ausgelegt.
Das Brennersystem 4 ist als rezirkulationsstabilisierter Strahlflammenbrenner zur unverdrallten Hochgeschwindigkeitsverbrennung ausgebildet. Bei dieser Art von Brennersystemen werden im Betrieb unverbrannter Brennstoff 27 und Oxidator 38 drallfrei mit einem derart hohen axialen Impuls in den Brennraum 3 eingebracht, dass sich im Brennraum 3 eine großräumige Rezirkulationszone 5 zur Stabilisierung einer Verbrennungszone ausbildet. Dabei beträgt eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit an der bzw. den Austrittsöffnung/en 12 beispielsweise zwischen 40 m/s und 160 m/s.
Fig. 2A und Fig. 2B zeigen den Innenaufbau der Zufuhreinrichtung 1 in jeweils einer Schnittdarstellung (Fig. 2A: Längsschnitt, Fig. 2B: Querschnitt A-A). Wie Fig. 2A zeigt, weist die Zufuhreinrichtung 1 eine Zufuhrdüse 10 mit einem von einer Düsenwand 16 umgrenzten, entlang der Längsachse L ausgerichteten, insbesondere zylindrischen Düsenkanal 14 mit beispielhaft konstantem Querschnitt auf. Der Düsenkanal 14 mündet in einer brennkammerseitigen, kreisförmigen Austrittsöffnung 12, die in montiertem Zustand an den Brennraum 3 angrenzt.
Zur Zugabe des Brennstoffes 27 in den Düsenkanal 14 umfasst die Zufuhreinrichtung 1 ein Injektorelement 24. Das Injektorelement 24 ist in dem Düsenkanal 14 koaxial zu der Zufuhrdüse 10 auf der Längsachse L angeordnet. Ein Einspritzpunkt 26, an dem der Brennstoff 27 im Betrieb in den Düsenkanal 14 eintritt, ist am stromabseitigen Ende des Injektorelements 24 für eine möglichst symmetrische Einbringung von Brennstoff 27 zentral auf der Längsachse L angeordnet.
Das Injektorelement 24 ist beispielhaft als Druck-Drall-Injektor ausgebildet, wobei der flüssige Brennstoff 27 mit hohem Brennstoffrelativdruck, von z. B. bis zu 100 bar, in das Injektorelement 24 eingebracht und mittels eines innerhalb des Injektorelements 24 befindlichen Drallerzeugers 46 vor Einbringung in den Düsenkanal 14 verdraht wird. Andere Ausbildungen des Injektorelements 24 zur Einbringung von flüssigem Brennstoff 27 sind möglich, sofern insbesondere eine vorteilhafte, gleichmäßige Filmbildung an der Filmlegervorrichtung 18 erreichbar ist, beispielsweise unter Verwendung einer „Jet-in-Crossflow“-Konfiguration.
Fig. 3A, Fig. 3B und Fig. 3C zeigen das Injektorelement 24 in beispielhafter Ausbildung in perspektivischer Ansicht von der Seite (Fig. 3A) und im Längsschnitt (Fig. 3B und Fig. 3C), wobei in Fig. 3C eine Austrittsöffnung 48 in einem Detail C dargestellt ist.
Wie Fig. 3A zeigt, weist das Injektorelement 24 einen im Wesentlichen zylindrischen Außenumfang auf.
Wie Fig. 3B zeigt, ist innerhalb des Injektorelements 24 der Drallerzeuger 46 mit einer zylindrischen Drallkammer 47 und vorliegend beispielhaft drei zueinander symmetrisch angeordneten Eintrittsöffnungen 45 zu der Drallkammer 47 angeordnet. Stromab des Drallerzeugers 46 weist das Injektorelement 24 die Austrittsöffnung 48 mit einer an die Zufuhrdüse 10 angrenzenden, umlaufend scharfen Austrittskante 52 auf.
Der Drallerzeuger 46 wird mittels eines Sicherungselements 44 gehalten. Stromauf des Sicherungselements 44 ist eine Druckfeder 42 zur Schwingungsentkopplung des Drallerzeugers 46 angeordnet. Wie Fig. 3C genauer zeigt, verjüngt sich stromab des Drallerzeugers 46 der insbesondere kreisförmige Strömungsquerschnitt hin zu der Austrittsöffnung 48 zunächst konisch zu einem engsten Querschnitt 50, und weitet sich stromab des engsten Querschnittes 50 stetig, insbesondere trompetenartig, auf einen größeren (z. B. einen 1 ,2- bis 4-fachen) Querschnitt an der Austrittskarte 52 auf. Durch die insbesondere trompetenartige Aufweitung kann der definierte Öffnungswinkel des Brennstoffkegels auch bei vergleichsweise geringen Massenströmen aufrechterhalten werden.
Die scharfe Austrittskante 52 wird insbesondere dadurch erhalten, dass an der Austrittskante 52 ein Winkel zwischen den zusammenlaufenden Wandflächen weniger als 90° beträgt. Auf diese Weise kann eine erste Zerstäubung des Brennstoffes an der Austrittskante 52 erreicht werden.
Mittels des hohen Drucks werden im Betrieb an dem Injektorelement 24 Brennstofftropfen erzeugt, die aufgrund des Dralls in einem von dem Einspritzpunkt 26 ausgehenden Brennstoffkegel 28 in den Düsenkanal 14 eintreten. Ein Öffnungswinkel a des Brennstoffkegels 28 kann beispielsweise zwischen 60° und 100° betragen.
Erfindungsgemäß weist die Zufuhreinrichtung 1 eine radial zwischen dem Injektorelement 24 und der Düsenwand 16 angeordnete Filmlegervorrichtung 18 auf. Die Filmlegervorrichtung 18 ist hülsenartig, insbesondere zylindrisch, ausgebildet und/oder umgibt das Injektorelement 24 vollständig radial umlaufend.
Zwischen der Düsenwand 16 und der radialen Außenseite der Filmlegervorrichtung 18 ist ein Außenkanal 30 gebildet, in dem im Betrieb ein Außenstrom 32 des Oxidators 38 strömt. Radial innerhalb der Filmlegervorrichtung 18, zwischen der radialen Innenseite der Filmlegervorrichtung 18 und dem Injektorelement 24, ist ein Innenkanal 24 gebildet, in dem im Betrieb ein Innenstrom 36 des Oxidators 38 strömt. Der Innenkanal 24 reicht von einer stromaufseitigen Kante 22 bis zu dem Einspritzpunkt 26 des Injektorelements 24. Die Filmlegervorrichtung 18 ist für eine symmetrische Strömungsführung koaxial zu der Zufuhrdüse 10 und dem Injektorelement 24 angeordnet (vgl. Fig. 2B). Dabei ist die Filmlegervorrichtung 18 insbesondere mittels mehrerer symmetrisch zueinander angeordneter, z. B. dreier, Befestigungselemente 40 an der Düsenwand 16 befestigt. Die Befestigungselemente 40 sind vorzugsweise möglichst weit stromauf an der Filmlegervorrichtung 18 angeordnet, um die Strömung an dem Einspritzpunkt 26 und stromab davon möglichst wenig zu beeinflussen. Die Befestigungselemente 40 können vorteilhafterweise auf der Innenseite der Filmlegervorrichtung 18 radial derart überstehen, dass sie ebenfalls das Injektorelement 24 zentrieren.
Wie Fig. 2A weiter zeigt, weist die Filmlegervorrichtung 18 an ihrem stromabseitigen Ende eine Zerstäubungskante 20 auf. Die Wandung der Filmlegervorrichtung 18 verjüngt sich zu der Zerstäubungskante 20 hin, um eine möglichst scharfkantige Ausbildung für eine feine Tropfenzerstäubung zu erhalten.
An ihrem stromaufseitigen Ende weist die Filmlegervorrichtung 18 eine Kante 22 auf. Die Kante 22 ist strömungsgünstig geformt, in Fig. 2A beispielhaft mit einer verjüngten Wandung der Filmlegervorrichtung 18, um einen möglichst geringen Druckverlust und/oder möglichst geringe Sekundärströmung (insbesondere Verwirbelungen) zu erzeugen.
Die Filmlegervorrichtung 18 ist axial derart innerhalb der Zufuhrdüse 10 angeordnet, dass der Einspritzpunkt 26 zwischen der Zerstäubungskante 20 und der stromaufseitigen Kante 22 der Filmlegervorrichtung 18 liegt. Die axiale Länge der Filmlegervorrichtung 18, zwischen der Zerstäubungskante 20 und der Kante 22, richtet sich nach unterschiedlichen Parametern. Zum einen sollen bis zu dem Einspritzpunkt 26 Einlaufeffekte innerhalb des Innenstroms 36 zumindest weitgehend abgeklungen sein. Zudem ist vorzugsweise der Abstand zwischen dem Einspritzpunkt 26 und der Zerstäubungskante 20 derart ausgelegt, dass zumindest ein Teil des Brennstoffes 27 unter Bildung eines Brennstofffilms auf die Innenseite der Filmlegervorrichtung 18 auftrifft. Der Abstand wird daher insbesondere unter Berücksichtigung des Öff- nungswinkels a des Brennstoffkegels 28 ausgelegt. Gleichzeitig sollte der Abstand für eine kompakte Ausbildung der Zufuhreinrichtung 1 möglichst gering gehalten werden.
Der Abstand zwischen der Zerstäubungskante 20 und der Austrittsöffnung 12 der Zufuhrdüse 10 kann je nach zu erzielendem Verbrennungsbild variiert werden, zwischen z. B. 0 mm (axiale Position der Zerstäubungskante 20 auf der Austrittsöffnung 12, entsprechend „Direkteinspritzung“) und z. B. bis zu zehnmal dem Durchmesser des Düsenkanals 16. Eine besonders kompakte Ausbildung der Zufuhreinrichtung kann mittels einer Anordnung möglichst weit stromab erreicht werden. Je nach Positionierung in Richtung stromauf kann beispielsweise der Verbrennungsvorgang, z. B. die Flammenlänge, beeinflusst werden.
Der radiale Abstand der Düsenwand 16, der Filmlegervorrichtung 18 und des Injektorelements 24 richtet sich nach einer vorteilhaften Strömungsauslegung. Dabei sind der Außenkanal 30 und der Innenkanal 34 derart zueinander ausgelegt, dass sich im Betrieb der gesamte Oxidatorstrom, der durch den Düsenkanal 14 strömt, gemäß eines vorteilhaften Verhältnisses aufteilt („Luftsplit“). Als vorteilhaft hat sich insbesondere herausgestellt, wenn die Geschwindigkeit des Außenstroms 32 z. B. um einen Faktor zwischen 1 ,3 und 7 größer ist als die Geschwindigkeit des Innenstroms 36. Dabei werden insbesondere drei Auslegungsfaktoren berücksichtigt: eine hohe Scherung zwischen dem Außenstrom 32 und dem Innenstrom 36 für eine vorteilhafte Zerstäubung an der Zerstäubungskante 20, ein hoher Außenimpuls durch den Außenstrom 32 stromab der Zerstäubungskante 20, um eine Benetzung der Düsenwand 16 mit Brennstoff zu vermeiden, und eine ausreichend hohe Geschwindigkeit des Innenstroms 36, um den Brennstofffilm innerhalb der Filmlegervorrichtung 18 an die Zerstäubungskante 20 voranzutreiben. Die Auslegung erfolgt insbesondere unter Verwendung computergestützter Strömungssimulation (CFD) und/oder experimentell. Im Betrieb strömt Oxidator 38 von der Verteilerseite 2 in die Zufuhrdüse 10 hinein. An der Filmlegervorrichtung 18 wird der gesamte Oxidatorstrom aufgeteilt in den durch den Außenkanal 30 strömenden Außenstrom 32 und den mit geringerer Geschwindigkeit durch den Innenkanal 34 strömenden Innenstrom 36.
Der Brennstoff 27 wird in das Injektorelement 24 mit hohem Brennstoffrelativdruck (z. B. zwischen 1 und 100 bar) eingebracht. Durch die Eintrittsöffnungen 45 strömt der Brennstoff 27 in die Drallkammer 47. Durch die Eintrittsöffnungen 45 und/oder innerhalb der Drallkammer 47 wird der Brennstoff, z. B. mittels (optional vorhandener) Leitkörper, in Rotation mit einer axialen und einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente versetzt und strömt so an die Austrittsöffnung des Injektorelements 24. An der Austrittsöffnung 48 des Injektorelements 24 liegt der Einspritzpunkt 26. Die Drallströmung bewirkt stromab des Einspritzpunkts 26 die radiale Richtungskomponente der Brennstoffströmung zur kegelförmigen Einbringung des Brennstoffes 27 in die Zufuhrdüse 10 innerhalb der Filmlegervorrichtung 18.
An dem Einspritzpunkt 26 wird Brennstoff 27 an der Austrittskante 52 zerstäubt und in dem Brennstoffkegel 28 mit dem Öffnungswinkel a zwischen 60° und 100°, z. B. 90°, zugegeben. Ein Teil des Brennstoffes 27 trifft einige Millimeter (z. B. zwischen 2 mm und 10 mm) stromauf der Zerstäubungskante 20 auf die Innenseite der Filmlegervorrichtung 18 auf, wodurch ein Brennstofffilm (Film aus Brennstoff 27) an der Innenseite der Filmlegevorrichtung 18 gebildet wird. Der andere Teil des zerstäubten Brennstoffes 27 folgt ohne Kontakt zu der Filmlegervorrichtung 18 dem Innenstrom 36.
Der Innenstrom 36 treibt den Brennstofffilm bis an die Zerstäubungskante 20 vor. An der Zerstäubungskante 20 treffen der Innenstrom 36 und der Außenstrom 32 aufeinander, wobei sich aufgrund der Geschwindigkeitsdifferenz eine Scherschicht bildet. An der scharfen Zerstäubungskante 20 wird unter Ausnutzung des hohen Impulses der Oxidatorstrom ung und mittels der Scherschicht der Brennstofffilm in feine Trop- fen zerstäubt, die mit der Oxidatorströmung weiter stromab in Richtung Austrittsöffnung 12 getragen werden.
Der vergleichsweise hohe Impuls des Außenstroms 32 bewirkt, dass die Brennstofftropfen nicht die Düsenwand 16 benetzen, sondern möglichst vollständig mit der Oxidatorströmung in den Brennraum 3 eingetragen werden. In dem Brennraum 3 erfolgt die Verbrennung des Oxidator-Brennstoffgemisches.
Durch die in Zusammenschau zweistufige Zerstäubung, mit der ersten Zerstäubung an der Austrittskante 52 des Injektorelements 24 und der zweiten Zerstäubung an der Zerstäubungskante 20, ergibt sich ein bei Eintritt in den Brennraum 3 vorteilhaft zerstäubter Brennstoff 27. Die erste Zerstäubung trägt insbesondere zur Ausbildung eines gleichmäßigen Brennstofffilms an dem Innenumfang der Filmlegervorrichtung 18 bei.
Untersuchungen der Erfinder bei zehn unterschiedlichen mittleren Strömungsgeschwindigkeiten der Oxidatorströmung an der Austrittsöffnung 12, von 70 m/s bis 160 m/s, haben beispielsweise einen über die gesamte Zufuhrdüse 10 sehr kleinen Tropfendurchmesser ergeben. Konkret wurden stromab der Zerstäubungskante 20 Tropfen mit Sauterdurchmessern (D32icharakteristische Tropfendurchmesser) zwischen knapp 10 pm und knapp 30 pm über den Radius der Zufuhrdüse 10 gemessen. Dadurch ist eine vorteilhafte Verdampfung und Emissionscharakteristik des Brennersystems 4 erreichbar.
Die Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass der vorteilhafte Betrieb durch den vorstehend beschriebenen Aufbau der Zufuhreinrichtung 1 bei einem vergleichsweise sehr kompakten Aufbau möglich ist.
Beispielsweise kann eine einzelne Zufuhreinrichtung zum Betrieb bei einer thermischen Leistung von z. B. zwischen 5 kW und 30 kW ausgelegt sein (Skalierung nach oben oder nach unten möglich). Auf diese Weise können sowohl Anwendungen mit vergleichsweise moderater Leistungsdichte und/oder moderatem Energiebedarf bedient werden (z. B. in der dezentralen Energieumwandlung), als auch, z. B. unter Verwendung einer Vielzahl von Zufuhreinrichtungen 1 in einem Brennersystem 4, Anwendungen mit einer hohen erforderlichen Leistung und/oder Leistungsdichte (z. B. Luftfahrtanwendungen).
Zusammenfassend kann mittels vorstehend angegebener, vorteilhafter Maßnahmen (einzeln oder in Kombination) zur Ausbildung einer einzelnen Zufuhreinrichtung 1 ein nach dem Konzept des rezirkulationsstabilisierten Strahlflammenbrenners zur unver- drallten Hochgeschwindigkeitsverbrennung ausgebildetes Brennersystem auch mit flüssigen Brennstoffen mit vergleichsweise kurzer Flammenlänge stabil, zuverlässig und emissionsarm betrieben werden, wodurch ein kompaktes Brennersystem bereitgestellt werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Zufuhreinrichtung (1 ), insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbine, zur drallfreien Zufuhr von Oxidator (38) und Brennstoff (27) in einen Brennraum (3), umfassend
- eine Zufuhrdüse (10) mit einem von einer Düsenwand (16) umgrenzten, entlang einer Längsachse (L) ausgerichteten, insbesondere zylindrischen, Düsenkanal (14), der in einer brennkammerseitigen Austrittsöffnung (12) zur Angrenzung an den Brennraum (3) mündet, und
- ein Injektorelement (24) zur Zugabe des Brennstoffes (27) in den Düsenkanal (14) an einem Einspritzpunkt (26), dadurch gekennzeichnet, dass das Injektorelement (24) zur Zugabe von flüssigem Brennstoff (27) ausgebildet ist und dass radial zwischen dem Injektorelement (24) und der Düsenwand (16) eine das Injektorelement (24) umgebende, insbesondere zylindrische, Filmlegervorrichtung (18) angeordnet ist, wobei zwischen der Düsenwand (16) und der radialen Außenseite der Filmlegervorrichtung (18) ein Außenkanal (30) gebildet ist.
2. Zufuhreinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass radial innerhalb der Filmlegervorrichtung (18), insbesondere zwischen der radialen Innenseite der Filmlegervorrichtung (18) und dem Injektorelement (24), ein Innenkanal (34) gebildet ist.
3. Zufuhreinrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filmlegervorrichtung (18) zumindest über einen Großteil ihrer axialen Länge konstante Außenmaße, insbesondere einen konstanten Innendurchmesser und/oder Außendurchmesser, aufweist. Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filmlegervorrichtung (18) an ihrem stromabseitigen axialen Ende eine Zerstäubungskante (20) aufweist, wobei sich insbesondere die Wandung der Filmlegervorrichtung (18) hin zu der Zerstäubungskante (20) verjüngt. Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektorelement (24) länglich ausgebildet ist und/oder in die Zufuhrdüse (10) hineinragt, wobei das Injektorelement (24) insbesondere zumindest innerhalb der Zufuhrdüse (10) und/oder der Filmlegervorrichtung (18) einen zumindest im Wesentlichen zylindrischen und/oder konstanten Querschnitt aufweist. Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrdüse (10), die Filmlegervorrichtung (18) und das Injektorelement (24) koaxial zueinander bezüglich der Längsachse (L) angeordnet sind. Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Injektorvorrichtung (24) der Einspritzpunkt (26) des Brennstoffes (27) an dem stromab gelegenen Ende der Injektorvorrichtung (24) und/oder zentral, auf der Längsachse (L), angeordnet ist. Zufuhreinrichtung (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzpunkt (26) der Injektorvorrichtung (24) axial zwischen der Zerstäubungskante (20) und einer stromaufseitigen Kante (22) der Filmlegervorrichtung (18) angeordnet ist. Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektorelement (24) zur Zugabe eines Brennstoffkegels (28) mit einem Öffnungswinkel (a) zwischen 40° und 120°, insbesondere zwischen 60° und 100°, ausgebildet ist. Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektorelement (24) als Druck-Drall-Injektor ausgebildet ist, wobei in dem Injektorelement (24) ein Drallerzeuger (46) zur Drallaufprägung bei der Brennstoffeinspritzung angeordnet ist. Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an einer Austrittsöffnung (48) des Injektorelements (24) ein Strömungsquerschnitt zunächst insbesondere konisch zu einem engsten Querschnitt (50) verjüngt, und sich stromab des engsten Querschnittes (50) stetig, insbesondere trompetenartig, auf einen größeren Querschnitt am Übergang in die Zufuhrdüse (10) aufweitet. Zufuhreinrichtung (1 ) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass an der Austrittsöffnung (48) des Injektorelements (24) am Übergang in die Zufuhrdüse (10) eine umlaufende, scharfe Austrittskante (52) ausgebildet ist. Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Einspritzpunkt (26) und der Zerstäubungskante (20) derart ausgelegt ist, dass zumindest ein Teil des Brennstoffes im Betrieb auf der Innenseite der Filmlegervorrichtung (18) unter Bildung eines Brennstofffilms auftrifft. Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkanal (30) und der Innenkanal (34) durch Auslegung derart aufeinander abgestimmt sind, dass sich im Betrieb ein gesamter, durch den Düsenkanal (14) strömender Oxidatorstrom in einen Außenstrom (32) und einen Innenstrom (36) aufteilt, wobei die Geschwindigkeit des Außenstroms (32) größer ist als die Geschwindigkeit des Innenstroms (36), z. B. um einen Faktor zwischen 1 ,5 und 7, vorzugsweise zwischen 2 und 5. Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrdüse (10) an und/oder stromab der Filmlegervorrichtung (18), insbesondere an und/oder stromab der Zerstäubungskante (20), keine Verringerung des Strömungsquerschnitts aufweist. Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filmlegervorrichtung (18) mittels mehrerer, z. B. dreier, Befestigungselemente (40), an der Düsenwand (16) befestigt ist, die insbesondere auf der radialen Innenseite der Filmlegervorrichtung (18) das Injektorelement (24) zentrieren. Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrdüse (10) zur Zugabe von Oxidator und flüssigem Brennstoff in den Brennraum (3) mit einem hohen axialen Impuls ausgebildet ist, wobei eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit an der Austrittsöffnung (12) zwischen 60 m/s und 160 m/s, insbesondere zwischen 80 m/s und 140 m/s, beträgt. Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (1 ) zum Betrieb bei einer thermischen Leistung von 1 KW bis 50 KW, beispielsweise zwischen 10 KW und 20 KW, ausgelegt ist. Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungskante (20) nahe oder auf axialer Höhe der Austrittsöffnung (12) angeordnet ist. Brennersystem (4) mit einem Brennerkopf (7) umfassend zumindest eine Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Stirnplatte (6), über welche die zumindest eine Zufuhreinrichtung (1 ) in einen Brennraum (3) des Brennersystems (4) mündet, wobei das Brennersystem (4) zum Betrieb mit einer großräumigen, durch den axialen Impuls der eintretenden Oxi- dator-ZBrennstoffstrahlen induzierten brennrauminternen Rezirkulation zur Stabilisierung einer Verbrennungszone in dem Brennraum (3) ausgebildet ist. Verfahren zur drallfreien Zufuhr von Oxidator (38) und Brennstoff (27) in einen Brennraum (3) mittels einer Zufuhreinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem flüssiger Brennstoff (27) innerhalb einer in einer Zufuhrdüse (10) angeordneten Filmlegervorrichtung (18) in einen Oxidator (38) zugegeben wird.
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