DE102023102018A1

DE102023102018A1 - Burner head and burner system

Info

Publication number: DE102023102018A1
Application number: DE102023102018.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Huber
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2023-01-27
Filing date: 2023-01-27
Publication date: 2024-08-01
Also published as: EP4407232A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennerkopf (1) zum Einsatz in einem entlang einer Längsachse (L) ausgerichteten Brennersystem, insbesondere für Gasturbinen, der zumindest eine Düsenanordnung (10) aufweist, mit- zumindest einer Oxidatordüse (12) zur drallfreien Zufuhr von Oxidator (122) in eine Brennkammer (10) des Brennersystems, wobei die Oxidatordüse (12) bezüglich einer Mittelachse (M1) angeordnet ist und einen Austritt (120) zur Mündung in die Brennkammer (3) über eine Stirnseite aufweist, und- zumindest einer Brennstoffdüse (14) zur Zufuhr von Brennstoff (142) in die Brennkammer (10), wobei die Brennstoffdüse (14) bezüglich einer weiteren Mittelachse (M2) angeordnet ist und einen Austritt (140) zur Mündung in die im Betrieb vorhandene Oxidatorströmung aus der Oxidatordüse (12) und/oder in die Brennkammer (3) aufweist.Eine optimierte Mischung ist dadurch erhältlich, dass bei der Oxidatordüse (12) der Austritt (120) als um die Mittelachse (M1) teilumlaufender Spalt (121) ausgebildet ist, wobei zwischen zwei Spaltenden (131) eine geschlossene Seite (126), ohne Spalt (121), vorhanden ist und wobei der teilumlaufende Spalt (121) und eine die Spaltenden (131) über die geschlossene Seite (126) virtuell verbindende Verbindungslinie (130) eine Innenfläche (132) einschließen und/oder dass bei der Brennstoffdüse (12) der Austritt (140) als um die Mittelachse (M2) teilumlaufender Spalt (141) ausgebildet ist, wobei zwischen zwei Spaltenden (151) eine geschlossene Seite (146), ohne Spalt (141), vorhanden ist und wobei der teilumlaufende Spalt (141) und eine die Spaltenden (151) über die geschlossene Seite (146) virtuell verbindende Verbindungslinie (150) eine Innenfläche (152) einschließen.The invention relates to a burner head (1) for use in a burner system aligned along a longitudinal axis (L), in particular for gas turbines, which has at least one nozzle arrangement (10), with- at least one oxidizer nozzle (12) for the swirl-free supply of oxidizer (122) into a combustion chamber (10) of the burner system, wherein the oxidizer nozzle (12) is arranged with respect to a central axis (M1) and has an outlet (120) for opening into the combustion chamber (3) via an end face, and- at least one fuel nozzle (14) for supplying fuel (142) into the combustion chamber (10), wherein the fuel nozzle (14) is arranged with respect to a further central axis (M2) and has an outlet (140) for opening into the oxidizer flow present during operation from the oxidizer nozzle (12) and/or into the combustion chamber (3).An optimized mixture can be obtained by the outlet of the oxidizer nozzle (12) (120) is designed as a gap (121) partially surrounding the central axis (M1), wherein a closed side (126) without a gap (121) is present between two gap ends (131), and wherein the partially surrounding gap (121) and a connecting line (130) virtually connecting the gap ends (131) via the closed side (126) enclose an inner surface (132) and/or that in the fuel nozzle (12) the outlet (140) is designed as a gap (141) partially surrounding the central axis (M2), wherein a closed side (146) without a gap (141) is present between two gap ends (151), and wherein the partially surrounding gap (141) and a connecting line (150) virtually connecting the gap ends (151) via the closed side (146) enclose an inner surface (152).

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennerkopf zum Einsatz in einem entlang einer Längsachse ausgerichteten Brennersystem, insbesondere für Gasturbinen, der zumindest eine Düsenanordnung aufweist, mit zumindest einer Oxidatordüse zur drallfreien Zufuhr von Oxidator in eine Brennkammer des Brennersystems, wobei die Oxidatordüse bezüglich einer Mittelachse angeordnet ist und einen Austritt zur Mündung in die Brennkammer über eine Stirnseite, insbesondere über eine Stirnwand, aufweist, und zumindest einer Brennstoffdüse zur Zufuhr von Brennstoff in die Brennkammer, wobei die Brennstoffdüse bezüglich einer weiteren Mittelachse angeordnet ist und einen Austritt zur Mündung in die im Betrieb vorhandene Oxidatorströmung aus der Oxidatordüse und/oder in die Brennkammer aufweist.The invention relates to a burner head for use in a burner system aligned along a longitudinal axis, in particular for gas turbines, which has at least one nozzle arrangement, with at least one oxidizer nozzle for the swirl-free supply of oxidizer into a combustion chamber of the burner system, wherein the oxidizer nozzle is arranged with respect to a central axis and has an outlet for opening into the combustion chamber via an end face, in particular via an end wall, and at least one fuel nozzle for supplying fuel into the combustion chamber, wherein the fuel nozzle is arranged with respect to a further central axis and has an outlet for opening into the oxidizer flow present during operation from the oxidizer nozzle and/or into the combustion chamber.

Ein derartiger Brennerkopf ist in der DE 10 2006 051 286 A1 angegeben und findet bei Jet-stabilisierten Brennersystemen Verwendung. Bei derartigen Brennersystemen wird die Verbrennungszone in dem Brennraum im Betrieb durch eine großräumige brennkammerinterne Rezirkulation von Abgas stabilisiert. Dabei werden Oxidator und Brennstoff oder ein Gemisch daraus als axiale Strahlen mit hohem axialem Impuls in die Brennkammer eingebracht. Insbesondere durch den hohen axialen Impuls bildet sich großräumig die brennkammerinterne Rezirkulationszone aus. Bei einer typischen Anordnung mehrerer Düsenanordnungen ringförmig um die Längsachse erfolgt die Rezirkulation in der Regel großteils radial innerhalb des Düsenrings („innere Rezirkulationszone“). Die Rezirkulation bringt das verbrannte, heiße Abgas zurück an die Strahlwurzel nahe der Zufuhrdüsen, wo es sich mit den eintretenden Frischgasen vermischt.Such a burner head is in the EN 10 2006 051 286 A1 and is used in jet-stabilized burner systems. In such burner systems, the combustion zone in the combustion chamber is stabilized during operation by a large-scale internal combustion chamber recirculation of exhaust gas. Oxidizer and fuel or a mixture of these are introduced into the combustion chamber as axial jets with a high axial impulse. The high axial impulse in particular creates a large-scale internal combustion chamber recirculation zone. In a typical arrangement of several nozzle arrangements in a ring around the longitudinal axis, the recirculation usually takes place largely radially within the nozzle ring ("inner recirculation zone"). The recirculation brings the burned, hot exhaust gas back to the jet root near the supply nozzles, where it mixes with the incoming fresh gases.

Nachteile Jet-stabilisierter Brennersysteme, beispielsweise gegenüber Drallbrennern, bestehen in einer in der Regel mäßigen Vormischung von Oxidator und Brennstoff an der Strahlwurzel, einer beschränkten Oberfläche für die Oxidator- /Brennstoffmischung sowie einem hohen axialen Impuls, was mit einer langen Ausbrandzone einhergeht. Dies macht lange Brennkammern erforderlich.Disadvantages of jet-stabilized burner systems, for example compared to swirl burners, are a generally moderate premixing of oxidizer and fuel at the jet root, a limited surface for the oxidizer/fuel mixture and a high axial impulse, which is associated with a long burnout zone. This makes long combustion chambers necessary.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennerkopf und ein Brennersystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, wobei im Betrieb die lokale Mischung optimiert ist.The invention is based on the object of providing a burner head and a burner system of the type mentioned above, wherein the local mixing is optimized during operation.

Die Aufgabe wird für den Brennerkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für das Brennersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.The problem is solved for the burner head with the features of claim 1 and for the burner system with the features of claim 16.

Bei dem Brennerkopf ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei der Oxidatordüse der Austritt als um die Mittelachse teilumlaufender Spalt ausgebildet ist, wobei zwischen zwei Spaltenden (in Umlaufrichtung) eine geschlossene Seite, ohne Spalt, vorhanden ist und wobei der teilumlaufende Spalt und eine die Spaltenden über die geschlossene Seite virtuell verbindende Verbindungslinie eine Innenfläche einschließen und/oder dass bei der Brennstoffdüse der Austritt als um die Mittelachse teilumlaufender Spalt ausgebildet ist, wobei zwischen zwei Spaltenden (in Umlaufrichtung) eine geschlossene Seite, ohne Spalt, vorhanden ist und wobei der teilumlaufende Spalt und eine die Spaltenden über die geschlossene Seite virtuell verbindende Verbindungslinie eine Innenfläche einschließen.In the burner head, according to the invention, the outlet in the oxidizer nozzle is designed as a gap that partially surrounds the central axis, with a closed side without a gap between two gap ends (in the direction of rotation), and with the partially circumferential gap and a connecting line that virtually connects the gap ends via the closed side enclosing an inner surface and/or the outlet in the fuel nozzle is designed as a gap that partially surrounds the central axis, with a closed side without a gap between two gap ends (in the direction of rotation), and with the partially circumferential gap and a connecting line that virtually connects the gap ends via the closed side enclosing an inner surface.

Der Spalt weist (ggf. jeweils) eine wesentlich größere (vorzugsweise mehr als die doppelte) Längenausdehnung als die ggf. maximale Spalthöhe auf. Die Spalthöhe kann über die Längenausdehnung des Spalts konstant sein oder variieren. Der Spalt ist z. B. in der Stirnwand und/oder am Ende einer Oxidator- und/oder Brennstoff-Zufuhrleitung angeordnet.The gap has (if applicable) a significantly greater length (preferably more than twice) than the maximum gap height (if applicable). The gap height can be constant or vary over the length of the gap. The gap is arranged, for example, in the front wall and/or at the end of an oxidizer and/or fuel supply line.

Der teilumlaufende Spalt kann auch mehrere, einzelne Öffnungen umfassen oder aus solchen gebildet sein, welche zusammengenommen in ihrer Wirkung den teilumlaufenden Spalt bilden.The partially circumferential gap can also comprise or be formed from several individual openings which, when taken together, form the partially circumferential gap.

Die virtuelle Verbindungslinie bildet eine gerade Linie (kürzeste Verbindung) von dem einen Spaltende zu dem anderen Spaltende (beispielsweise jeweils ab den Enden der radial inneren Längskante des Spaltes), ohne den Spalt zu schneiden.The virtual connecting line forms a straight line (shortest connection) from one end of the gap to the other end of the gap (for example from the ends of the radially inner longitudinal edge of the gap), without cutting the gap.

Die Mittelachse erstreckt sich senkrecht zu der jeweiligen Innenfläche und/oder dem jeweiligen Austritt durch deren Flächenschwerpunkt.The central axis extends perpendicular to the respective inner surface and/or the respective exit through their center of gravity.

Die Innenfläche ist vorzugsweise senkrecht zu der Längsachse des Brennersystems ausgerichtet.The inner surface is preferably aligned perpendicular to the longitudinal axis of the burner system.

Durch die Ausbildung des Austritts als teilumlaufender Spalt mit der geschlossenen Seite, durch welche kein Fluid (Oxidator und/oder Brennstoff) austritt, treten die Fluide in einer Art Ringstrahl mit einer offenen Seite aus dem Austritt aus. Dabei wird (ggf. jeweils) in dem als Ringstrahl geformten Strahl ein teiloffener Raum gebildet, wobei an der radial-umlaufenden Position der (bzgl. des Austritts) geschlossenen Seite in dem Strahl eine offene Seite, ohne Strahlströmung, gebildet wird. Durch ein mittels hoher axialer Geschwindigkeit (z. B. zwischen 60 m/s und 200 m/s) induziertes Unterdruckgebiet wird Gas, z. B. innerhalb der Brennkammer rezirkuliertes Abgas, insbesondere aus Richtung der bzgl. des Strahls offenen Seite in den teiloffenen Raum, gleichsam in die Strahlmitte, eingesaugt, was eine gute Mischung bewirkt.By forming the outlet as a partially circumferential gap with the closed side through which no fluid (oxidizer and/or fuel) exits, the fluids exit the outlet in a kind of ring jet with an open side. In this case, a partially open space is formed (if necessary) in the jet formed as a ring jet, whereby an open side without jet flow is formed in the radially circumferential position of the closed side (with respect to the outlet) in the jet. By means of a low pressure area induced by means of a high axial speed (e.g. between 60 m/s and 200 m/s), gas, e.g. exhaust gas recirculated within the combustion chamber, is drawn into the partially open space, particularly from the direction of the side open with respect to the jet. Space, as it were, sucked into the center of the jet, which causes a good mixture.

Aufgrund der Ausbildung des Austritts als Spalt resultierend in einer großen Oberfläche des zugegebenen Oxidators und/oder Brennstoffes wird die Ansaugung des Gases, z. B. des Abgases, verstärkt. Zudem trägt die daraus resultierende große Kontaktfläche zu einer optimierten lokalen Mischung zwischen dem Oxidator und/oder Brennstoff und dem angesaugten Gas bei.Due to the formation of the outlet as a gap resulting in a large surface area of the added oxidizer and/or fuel, the intake of the gas, e.g. the exhaust gas, is increased. In addition, the resulting large contact surface contributes to an optimized local mixture between the oxidizer and/or fuel and the intake gas.

Diese Effekte bedingen in Kombination eine optimierte Mischwirkung, durch welche eine kompakte Ausbrandzone resultiert, die vorteilhafterweise eine kompakte Bauweise der Brennkammer und/oder eine Reduktion der Emissionen ermöglicht.These effects in combination result in an optimized mixing effect, which results in a compact burnout zone, which advantageously enables a compact design of the combustion chamber and/or a reduction in emissions.

In einer verbrennungstechnisch vorteilhaften Ausbildungsvariante ist der teilumlaufende Spalt der Oxidatordüse bezüglich einer Symmetrieebene symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch, ausgebildet und/oder ist der teilumlaufende Spalt der Brennstoffdüse bezüglich einer Symmetrieebene symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch, ausgebildet. Die Symmetrieebene verläuft (ggf. jeweils) insbesondere entlang der Mittelachse, d. h. die Mittelachse liegt in der Symmetrieebene.In a variant of the design that is advantageous in terms of combustion technology, the partially circumferential gap of the oxidizer nozzle is designed symmetrically, in particular mirror-symmetrically, with respect to a plane of symmetry and/or the partially circumferential gap of the fuel nozzle is designed symmetrically, in particular mirror-symmetrically, with respect to a plane of symmetry. The plane of symmetry runs (if applicable) in particular along the central axis, i.e. the central axis lies in the plane of symmetry.

Vorzugsweise ist der teilumlaufende Spalt der Oxidatordüse und/oder der Brennstoffdüse gerundet (gekrümmt), z. B. teilkreisbogenförmig und/oder U-förmig, ausgebildet. Möglich ist auch eine Ausbildung des teilumlaufenden Spalts in teilpolygonaler Form (umfassend mehrere Seiten eines Polygons, beispielsweise drei Seiten eines Vierecks).Preferably, the partially circumferential gap of the oxidizer nozzle and/or the fuel nozzle is rounded (curved), e.g. partially circular and/or U-shaped. It is also possible for the partially circumferential gap to be partially polygonal (comprising several sides of a polygon, e.g. three sides of a quadrilateral).

Eine vorteilhafte Ansaugwirkung auf die Abgasströmung und/oder eine große Kontaktfläche zwischen der Frischgasströmung und der Abgasströmung mit gleichzeitig guten Einströmmöglichkeiten des Abgases in die Frischgasströmung ist erreichbar, wenn der teilumlaufende Spalt der Oxidatordüse zwischen 180° und 330°, vorzugsweise zwischen 180° und 270°, umlaufend um die Mittelachse der Oxidatordüse ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der übrige umlaufende Abschnitt von der geschlossenen Seite gebildet ist und/oder wenn der teilumlaufende Spalt der Brennstoffdüse zwischen 180° und 330°, vorzugsweise zwischen 180° und 270°, umlaufend um die Mittelachse der Brennstoffdüse ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der übrige umlaufende Abschnitt von der geschlossenen Seite gebildet ist. Der teilumlaufende Spalt und die geschlossene Seite (bzw. die virtuelle Verbindungslinie) bilden eine geschlossen umlaufende Form.An advantageous suction effect on the exhaust gas flow and/or a large contact surface between the fresh gas flow and the exhaust gas flow with simultaneously good inflow possibilities of the exhaust gas into the fresh gas flow can be achieved if the partially circumferential gap of the oxidizer nozzle is formed between 180° and 330°, preferably between 180° and 270°, circumferentially around the central axis of the oxidizer nozzle, wherein preferably the remaining circumferential section is formed by the closed side and/or if the partially circumferential gap of the fuel nozzle is formed between 180° and 330°, preferably between 180° and 270°, circumferentially around the central axis of the fuel nozzle, wherein preferably the remaining circumferential section is formed by the closed side. The partially circumferential gap and the closed side (or the virtual connecting line) form a closed circumferential shape.

Vorzugsweise ist die geschlossene Seite der Oxidatordüse und/oder die geschlossene Seite der Brennstoffdüse in Richtung einer sich im Betrieb ausbildenden großräumigen Rezirkulationszone innerhalb der Brennkammer ausgerichtet, beispielsweise (insbesondere im Zusammenhang mit einer Düsenringanordnung) in Richtung der Längsachse des Brennersystems (d. h. mit der Symmetrieebene in Richtung der Längsachse) weisend. Je nach gewünschter Wirkung kann es auch vorteilhaft sein, wenn die geschlossene Seite der Brennstoffdüse in Richtung des teilumlaufenden Spalts der Oxidatordüse ausgerichtet ist. Auf diese Weise wird zunächst eine Vormischung von Brennstoff und Oxidator forciert.Preferably, the closed side of the oxidizer nozzle and/or the closed side of the fuel nozzle is aligned in the direction of a large-scale recirculation zone within the combustion chamber that forms during operation, for example (particularly in connection with a nozzle ring arrangement) pointing in the direction of the longitudinal axis of the burner system (i.e. with the plane of symmetry in the direction of the longitudinal axis). Depending on the desired effect, it can also be advantageous if the closed side of the fuel nozzle is aligned in the direction of the partially circumferential gap of the oxidizer nozzle. In this way, a premix of fuel and oxidizer is initially forced.

Eine vorteilhafte Einmischung des Brennstoffes in die Verbrennungsgase ist erreichbar, wenn der Austritt der Brennstoffdüse radial und in Umlaufrichtung bezüglich der Längsachse des Brennersystems im Bereich der Innenfläche der Oxidatordüse angeordnet ist. Auf diese Weise wird auch die Brennstoffströmung von der für die Einmischung günstigen lokalen Strömungsverteilung erfasst. Der Austritt der Brennstoffdüse weist einen kleineren Strömungsquerschnitt auf als der Austritt der Oxidatordüse. Der Austritt der Brennstoffdüse kann dabei eine prinzipiell andere Form als der Austritt der Oxidatordüse aufweisen, z. B. kreisförmig, oder die gleiche prinzipielle Ausbildung, mit dem umlaufenden Spalt.An advantageous mixing of the fuel into the combustion gases can be achieved if the outlet of the fuel nozzle is arranged radially and in the direction of rotation with respect to the longitudinal axis of the burner system in the area of the inner surface of the oxidizer nozzle. In this way, the fuel flow is also captured by the local flow distribution that is favorable for mixing. The outlet of the fuel nozzle has a smaller flow cross-section than the outlet of the oxidizer nozzle. The outlet of the fuel nozzle can have a fundamentally different shape than the outlet of the oxidizer nozzle, e.g. circular, or the same basic design, with the circumferential gap.

Für eine symmetrische Strömungsführung zugunsten einer gleichmäßigen Verbrennung kann zweckmäßigerweise der Austritt der Brennstoffdüse, insbesondere mit der Mittelachse der Brennstoffdüse, in der Symmetrieebene der Oxidatordüse angeordnet sein (insbesondere fallen die Symmetrieebenen der Oxidatordüse und der Brennstoffdüse zusammen). Die Mittelachse der Brennstoffdüse erstreckt sich senkrecht zu und durch den Flächenschwerpunkt des Austritts oder, bei Ausbildung der Brennstoffdüse als teilumlaufenden Spalt, senkrecht zu der Innenfläche durch deren Flächenschwerpunkt.For a symmetrical flow guidance in favor of uniform combustion, the outlet of the fuel nozzle, in particular with the center axis of the fuel nozzle, can expediently be arranged in the plane of symmetry of the oxidizer nozzle (in particular the planes of symmetry of the oxidizer nozzle and the fuel nozzle coincide). The center axis of the fuel nozzle extends perpendicular to and through the center of gravity of the outlet or, if the fuel nozzle is designed as a partially circumferential gap, perpendicular to the inner surface through its center of gravity.

Je nach erwünschter Mischungswirkung kann es zweckmäßig sein, wenn der Austritt der Brennstoffdüse radial (bezüglich der Längsachse) näher an dem Austritt der Oxidatordüse als an der geschlossenen Seite (und/oder der Verbindungslinie) angeordnet ist, wobei z. B. die Mittelachse der Oxidatordüse nicht auf der Mittelachse der Brennstoffdüse liegt.Depending on the desired mixing effect, it may be expedient if the outlet of the fuel nozzle is arranged radially (with respect to the longitudinal axis) closer to the outlet of the oxidizer nozzle than to the closed side (and/or the connecting line), whereby, for example, the center axis of the oxidizer nozzle does not lie on the center axis of the fuel nozzle.

In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante insbesondere in Kombination mit hochreaktiven (z. B. schnell zündenden) Brennstoffen kann es vorteilhaft sein, wenn der Austritt der Brennstoffdüse radial und in Umlaufrichtung bezüglich der Längsachse des Brennersystems im Bereich des Spaltes, zur zumindest teilweisen Umgebung durch die Oxidatorströmung im Betrieb, angeordnet ist. Vorzugsweise ist dabei die Spalthöhe im Bereich der Brennstoffdüse vergrößert und/oder der teilumlaufende Spalt der Oxidatordüse umgibt die Brennstoffdüse zumindest teilweise. Der Brennstoffstrahl wird so gleichsam in den Oxidatorstrahl integriert. Auf diese Weise wird der Brennstoffstrahl von der vergleichsweise kühlen Oxidatorströmung zumindest teilweise ummantelt und so der Kontakt zwischen dem Brennstoff und dem heißen Abgas bei Einströmen der Frischgase in die Brennkammer verzögert. Auf diese Weise kann die Zündung des Frischgas-Gemisches hinausgezögert werden.In an advantageous embodiment, particularly in combination with highly reactive (e.g. fast-igniting) fuels, it can be advantageous if the outlet of the fuel nozzle is directed radially and in the direction of rotation with respect to the longitudinal axis of the burner system in the region of the gap, to the at least partial environment through the oxidizer streams. during operation. Preferably, the gap height in the area of the fuel nozzle is increased and/or the partially circumferential gap of the oxidizer nozzle at least partially surrounds the fuel nozzle. The fuel jet is thus integrated into the oxidizer jet. In this way, the fuel jet is at least partially enveloped by the comparatively cool oxidizer flow and the contact between the fuel and the hot exhaust gas is delayed when the fresh gases flow into the combustion chamber. In this way, the ignition of the fresh gas mixture can be delayed.

Eine bevorzugte Ausbildungsvariante besteht darin, dass der Austritt der Brennstoffdüse gegenüber dem Austritt der Oxidatordüse axial zurückversetzt angeordnet ist, zur Zugabe des Brennstoffes in die Oxidatorströmung stromauf der Brennkammer. Auf diese Weise kann, je nach eingesetzten Brennstoffen vorteilhaft, eine Vormischung von Oxidator und Brennstoff vor Einströmen in die Brennkammer erreicht werden. Insbesondere in diesem Zusammenhang kann die Ausbildung der Brennstoffdüse mit dem teilumlaufenden Spalt, für eine verbesserte Mischung, vorteilhaft sein. Die Oxidatordüse kann ebenfalls den teilumlaufenden Spalt aufweisen oder ihr Austritt kann anders, z. B. kreisförmig, ausgebildet ein.A preferred design variant consists in the outlet of the fuel nozzle being axially set back from the outlet of the oxidizer nozzle, in order to add the fuel to the oxidizer flow upstream of the combustion chamber. In this way, depending on the fuels used, a premix of oxidizer and fuel can be achieved before flowing into the combustion chamber. In particular in this context, the design of the fuel nozzle with the partially circumferential gap can be advantageous for improved mixing. The oxidizer nozzle can also have the partially circumferential gap or its outlet can be designed differently, e.g. circular.

In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Düsenanordnung einen, insbesondere axial ausgerichteten, Mischkanal, welcher in einer zwischen dem Austritt der Brennstoffdüse und dem Austritt der Oxidatordüse gebildeten Mischstrecke (d. h. dem axiale Abstand zwischen den Austritten) angeordnet ist. Der Mischkanal ist derart angeordnet, dass die Brennstoffströmung stromab der Brennstoffdüse vorzugsweise möglichst vollständig durch den Mischkanal strömt. Dabei ist vorzugsweise eine Mittellängsachse des Mischkanals koaxial zu der Brennstoffdüse und/oder der Oxidatordüse ausgerichtet und drehsymmetrisch, insbesondere zylindrisch, ausgebildet. Der Mischkanal durchläuft insbesondere einen (allen vorhandenen Düsenanordnungen gemeinsamen) Oxidatorverteilerraum zur Aufteilung des Oxidators auf ggf. mehrere vorhandene Oxidatordüsen, mehrerer Düsenanordnungen. Der, beispielsweise kreisförmige, Strömungsquerschnitt des Mischkanals ist vorzugsweise größer als der Strömungsquerschnitt des Austritts der Brennstoffdüse und/oder größer als der Strömungsquerschnitt einer ggf. vorhandenen Zufuhrleitung der Brennstoffdüse. Die Länge der Mischstrecke ist unter Berücksichtigung der Zündverzugszeit (Zeit von Gemischbildung bis Zündung) derart ausgelegt, dass bei allen Betriebspunkten die Aufenthaltszeit eines gebildeten Brennstoff-/Oxidatorgemisches in der Mischstrecke geringer ist als die Zündverzugszeit unter den entsprechenden Betriebsbedingungen, um eine Zündung innerhalb der Mischstrecke zu vermeiden. Das Vorhandensein des Mischkanals erlaubt eine definiertere Gemischbildung des Brennstoff- /Oxidatorgemisches und Strömungsführung auch stromauf der Brennkammer. In an advantageous development, the nozzle arrangement comprises a mixing channel, in particular an axially aligned one, which is arranged in a mixing section formed between the outlet of the fuel nozzle and the outlet of the oxidizer nozzle (i.e. the axial distance between the outlets). The mixing channel is arranged in such a way that the fuel flow downstream of the fuel nozzle preferably flows as completely as possible through the mixing channel. In this case, a central longitudinal axis of the mixing channel is preferably aligned coaxially to the fuel nozzle and/or the oxidizer nozzle and is rotationally symmetrical, in particular cylindrical. The mixing channel runs in particular through an oxidizer distribution chamber (common to all existing nozzle arrangements) for distributing the oxidizer to possibly several existing oxidizer nozzles, several nozzle arrangements. The flow cross-section of the mixing channel, which is for example circular, is preferably larger than the flow cross-section of the outlet of the fuel nozzle and/or larger than the flow cross-section of a possibly existing supply line of the fuel nozzle. The length of the mixing section is designed taking into account the ignition delay time (time from mixture formation to ignition) in such a way that at all operating points the residence time of a fuel/oxidizer mixture formed in the mixing section is less than the ignition delay time under the corresponding operating conditions in order to avoid ignition within the mixing section. The presence of the mixing channel allows a more defined mixture formation of the fuel/oxidizer mixture and flow guidance also upstream of the combustion chamber.

Günstige Variationsmöglichkeiten bezüglich Strömungsgeschwindigkeit und/oder Gemischbildung innerhalb der Mischstrecke ergeben sich, wenn der Mischkanal zumindest zwei axial hintereinander angeordnete Abschnitte umfasst, die jeweils einen anderen Strömungsquerschnitt aufweisen. Beispielsweise kann ein stromab angeordneter Abschnitt einen um einen Faktor 1,1 bis 10 größeren Strömungsquerschnitt aufweisen als ein stromauf angeordneter Abschnitt. In Kombination mit einer im Übergang zwischen den Abschnitten angeordneten Öffnung kann in dem stromab angeordneten Strömungsquerschnitt der Anteil an Oxidator vergrößert sein, wobei der Oxidator als Ummantelung wirkt und auf diese Weise das Risiko eines Flammenrückschlags verringert.Favorable variations in terms of flow velocity and/or mixture formation within the mixing section arise when the mixing channel comprises at least two sections arranged axially one behind the other, each of which has a different flow cross-section. For example, a downstream section can have a flow cross-section that is 1.1 to 10 times larger than an upstream section. In combination with an opening arranged in the transition between the sections, the proportion of oxidizer in the downstream flow cross-section can be increased, with the oxidizer acting as a casing and thus reducing the risk of flashback.

Eine vorteilhafte Vormischung von Brennstoff und Oxidator in der Mischstrecke wird ermöglicht, wenn die Mischstrecke zumindest eine Öffnung zur Einströmung von Oxidator (insbesondere unmittelbar) aus einem Oxidatorverteilerraum in die Brennstoffströmung innerhalb des Mischkanals stromauf der Brennkammer aufweist. Vorzugsweise ist die Öffnung umlaufend symmetrisch um den Mischkanal angeordnet, z.B. kreisringförmig und/oder mit mehreren, umlaufend äquidistanten Öffnungen. Wenn Öffnungen an mehreren unterschiedlichen axialen Positionen vorhanden sind, kann die Einströmung des Oxidators in die Brennstoffströmung axial gestuft erfolgen. Vorzugsweise ist zumindest eine Öffnung an dem Mischkanal unmittelbar stromab des Austritts der Brennstoffdüse und/oder unmittelbar stromauf der Oxidatordüse angeordnet. Vorteilhaft kann auch eine Kombination von Öffnungen unmittelbar stromab des Austritts der Brennstoffdüse und an einem ggf. vorhandenen Übergang zwischen zwei Abschnitten mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten sein.An advantageous premixing of fuel and oxidizer in the mixing section is made possible if the mixing section has at least one opening for the inflow of oxidizer (in particular directly) from an oxidizer distribution space into the fuel flow within the mixing channel upstream of the combustion chamber. The opening is preferably arranged symmetrically all the way around the mixing channel, e.g. in a circular ring shape and/or with several openings that are equidistant all the way around. If openings are present at several different axial positions, the inflow of the oxidizer into the fuel flow can be axially stepped. Preferably, at least one opening is arranged on the mixing channel immediately downstream of the outlet of the fuel nozzle and/or immediately upstream of the oxidizer nozzle. A combination of openings immediately downstream of the outlet of the fuel nozzle and at a transition, if present, between two sections with different flow cross sections can also be advantageous.

Das Risiko eines Flammenrückschlags kann verringert werden, wenn die Düsenanordnung zumindest eine, zusätzlich zu der Oxidatordüse vorhandene, Zumischöffnung aufweist, mittels welcher (nicht mit Brennstoff vorgemischter) Oxidator, insbesondere aus dem Oxidatorverteilerraum, in die Brennkammer zuführbar oder zugeführt ist. Vorzugsweise ist/sind die Zumischöffnung/en derart angeordnet, dass eine Kühlung der Stirnwand insbesondere in Totwassergebieten erreicht wird. Beispielsweise ist/sind die Zumischöffnung/en radial um die Oxidatordüse an diese angrenzend (z. B. mit etwa einer Wandstärke von der Oxidatordüse beabstandet), zur z. B. drallfreien, axialen oder axial-radialen Zufuhr von Oxidator aus dem Oxidatorverteilerraum angeordnet.The risk of a flashback can be reduced if the nozzle arrangement has at least one mixing opening in addition to the oxidizer nozzle, by means of which oxidizer (not premixed with fuel) can be fed or is fed into the combustion chamber, in particular from the oxidizer distribution chamber. The mixing opening(s) is/are preferably arranged in such a way that cooling of the front wall is achieved, in particular in dead water areas. For example, the mixing opening(s) is/are radially adjacent to the oxidizer nozzle (e.g. spaced from the oxidizer nozzle by approximately one wall thickness), for example swirl-free, axial or axial- radial supply of oxidizer from the oxidizer distribution chamber.

Im Zusammenhang mit der axial zurückversetzten Anordnung kann es hinsichtlich einer verbesserten Mischung zweckmäßig sein, wenn die Brennstoffdüse auf axialer Höhe des Austrittes eine Abrisskante aufweist. Die Abrisskante kann beispielsweise durch eine scharfe Kante an einer z. B. rohrförmigen Zufuhrleitung des Brennstoffes (insbesondere an ihrem stromabseitigen Ende, im Übergang zu einer dort angeordneten Stirnfläche) ausgebildet sein. Die Abrisskante erzeugt insbesondere innerhalb einer parallel zu der Brennstoffströmung strömenden Oxidatorströmung ein Nachlaufgebiet mit kleinskaliger Wirbelbildung auf Höhe der Brennstoffeindüsung, wodurch die Mischung zwischen Oxidator und Brennstoff verbessert wird.In connection with the axially set-back arrangement, it can be useful for improved mixing if the fuel nozzle has a separation edge at the axial height of the outlet. The separation edge can be formed, for example, by a sharp edge on a tubular fuel supply line (in particular at its downstream end, in the transition to an end face arranged there). The separation edge creates a wake area with small-scale vortex formation at the level of the fuel injection, in particular within an oxidizer flow flowing parallel to the fuel flow, whereby the mixing between oxidizer and fuel is improved.

Flexible Gestaltungsmöglichkeiten, die je nach Anwendung bzw. Brennerkopfkonfiguration vorteilhaft sein können, ergeben sich, wenn der Austritt der Oxidatordüse axial auf Höhe der Stirnwand angeordnet ist oder über die Stirnwand in den Brennraum hervorsteht.Flexible design options, which can be advantageous depending on the application or burner head configuration, arise if the outlet of the oxidizer nozzle is arranged axially at the level of the front wall or protrudes beyond the front wall into the combustion chamber.

Bei dem Brennersystem sind mehrere Düsenanordnungen vorhanden, die mit den Mittelachsen der Oxidatordüsen, vorzugsweise radial und in Umlaufrichtung äquidistant, auf zumindest einer gedachten Kreislinie um die Längsachse, zur Bildung zumindest eines Düsenrings, angeordnet sind. Dabei sind vorzugsweise die Zufuhrdüsen (Oxidatordüsen) näher an der Brennkammerwand gelegen als an der Längsachse der Brennkammer (die den Mittelpunkt des Düsenrings bildet), zur Ausbildung einer gemeinsamen Rezirkulationszone mit einer großteils (anteilig mehr als 50 %) inneren Rezirkulation des Abgases. Dies dient ebenfalls einer Beschleunigung der Durchmischung und somit einer Reduktion der Ausbrandzone. Diese Konfiguration hat sich als besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit Jet-stabilisierten Brennersystemen herausgestellt, insbesondere bezüglich der Flammenlänge und stabilen Verbrennungsverhältnissen.The burner system has several nozzle arrangements which are arranged with the center axes of the oxidizer nozzles, preferably radially and equidistant in the direction of rotation, on at least one imaginary circular line around the longitudinal axis, to form at least one nozzle ring. The supply nozzles (oxidizer nozzles) are preferably located closer to the combustion chamber wall than to the longitudinal axis of the combustion chamber (which forms the center of the nozzle ring), to form a common recirculation zone with a largely (proportionally more than 50%) internal recirculation of the exhaust gas. This also serves to accelerate mixing and thus reduce the burnout zone. This configuration has proven to be particularly advantageous in connection with jet-stabilized burner systems, in particular with regard to the flame length and stable combustion conditions.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das erfindungsgemäße Brennersystem dazu ausgebildet ist, eine Verbrennungszone mit einer (gemeinsamen) insbesondere großräumigen, großteils inneren, Rezirkulationszone zu stabilisieren. Hierzu werden insbesondere die Frischgase (Oxidator und Brennstoff) mit hohem axialem Impuls drallfrei in die Brennkammer eingebracht. Die Austritte zumindest der Oxidatordüsen sind zum Betrieb mit hohen axialen Geschwindigkeiten (z. B. zwischen 60 m/s und 200 m/s bezüglich der Oxidatorströmung) ausgelegt, wobei ein besonders ausgeprägter Ansaugeffekt an den einzelnen Düsenanordnungen erreicht wird.Particular advantages arise when the burner system according to the invention is designed to stabilize a combustion zone with a (common), particularly large-scale, largely internal, recirculation zone. To this end, the fresh gases (oxidizer and fuel) are introduced into the combustion chamber with a high axial impulse without swirl. The outlets of at least the oxidizer nozzles are designed for operation with high axial speeds (e.g. between 60 m/s and 200 m/s with respect to the oxidizer flow), whereby a particularly pronounced suction effect is achieved at the individual nozzle arrangements.

Eine erhöhte Betriebsflexibilität und/oder -stabilität ist erreichbar, wenn weiterhin eine zentral und symmetrisch auf der Längsachse angeordnete Pilotbrenneranordnung vorhanden ist, um welche der Düsenring angeordnet ist. Die Pilotbrenneranordnung kann ebenfalls auf dem Prinzip eines Jet-stabilisierten Brennersystems basieren und mehrere Düsenanordnungen zur (ausschließlich) axialen, drallfreien Zufuhr von Brennstoff und Oxidator aufweisen. Auch eine Pilotbrenneranordnung mit einem drallstabilisierten Brenner ist möglich.Increased operational flexibility and/or stability can be achieved if there is also a pilot burner arrangement arranged centrally and symmetrically on the longitudinal axis, around which the nozzle ring is arranged. The pilot burner arrangement can also be based on the principle of a jet-stabilized burner system and have several nozzle arrangements for the (exclusively) axial, swirl-free supply of fuel and oxidizer. A pilot burner arrangement with a swirl-stabilized burner is also possible.

Dabei werden insbesondere günstige Bedingungen innerhalb der Brennkammer erzeugt, wenn eine Pilot-Stirnwand der Pilotbrenneranordnung (an welcher insbesondere Pilot-Oxidatordüsen münden) gegenüber den Austritten der Oxidatordüsen des Düsenrings axial zurückversetzt angeordnet ist. Der Rückversatz ist vorzugsweise derart, dass ein stromauf des Brennraums angeordneter Pilot-Brennraum gebildet wird, in dem ein Pilotbrennstoff zumindest teilweise stromauf des Brennstoffes in dem Brennraum verbrannt wird und/oder innerhalb dessen sich eine großräumige Rezirkulationszone ausbilden kann.In particular, favorable conditions are created within the combustion chamber when a pilot end wall of the pilot burner arrangement (at which pilot oxidizer nozzles in particular open) is arranged axially set back from the outlets of the oxidizer nozzles of the nozzle ring. The set back is preferably such that a pilot combustion chamber arranged upstream of the combustion chamber is formed, in which a pilot fuel is burned at least partially upstream of the fuel in the combustion chamber and/or within which a large-scale recirculation zone can form.

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

1 eine vereinfachte Darstellung eines Brennersystems mit Düsenanordnungen im Längsschnitt,
2 A, B eine Düsenanordnung mit einer Oxidatordüse umfassend einen teilumlaufenden Spalt in Draufsicht aus Richtung der Brennkammer (2A) und in perspektivischer Ansicht mit visualisierter Strömung (2B) in schematischer Darstellung,
3A, B eine resultierende Druckverteilung (3A) und ein resultierendes Strömungsmuster (3B) bei Betrieb einer Düsenanordnung gemäß 2A, B in schematischer Darstellung,
4 eine beispielhafte Anordnung mehrerer Düsenanordnungen auf einer Stirnwand in Draufsicht aus Richtung der Brennkammer in schematischer Darstellung,
5 ein Ausführungsbeispiel der Düsenanordnung mit Ausbildung einer Brennstoffdüse als teilumlaufender Spalt in Draufsicht aus Richtung der Brennkammer in schematischer Darstellung,
6 ein Ausführungsbeispiel der Düsenanordnung mit axial versetzter Anordnung der Oxidatordüse und der Brennstoffdüse in schematischer Darstellung eines Teils des Brennersystems im Längsschnitt,
7 A, B die Brennstoffdüse mit Ausbildung als teilumlaufender Spalt in unterschiedlichen Ausrichtungen in Draufsicht aus Richtung der Brennkammer in schematischer Darstellung,
8 A- C Ausführungsbeispiele mit unterschiedlichen Ausbildungen und Anordnungen der Brennstoffdüse relativ zu der Oxidatordüse in Draufsicht aus Richtung der Brennkammer in schematischer Darstellung,
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Düsenanordnung mit axial versetzter Anordnung der Oxidatordüse und der Brennstoffdüse und dazwischen angeordnetem Mischkanal in schematischer Darstellung eines Teils des Brennersystems im Längsschnitt und
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Brennersystems mit der Düsenanordnung und einer Pilotbrenneranordnung in schematischer Darstellung eines Teils des Brennersystems im Längsschnitt.

The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings. They show:

1 a simplified representation of a burner system with nozzle arrangements in longitudinal section,
2 A , B a nozzle arrangement with an oxidizer nozzle comprising a partially circumferential gap in plan view from the direction of the combustion chamber ( 2A) and in perspective view with visualized flow ( 2 B) in schematic representation,
3A , B a resulting pressure distribution ( 3A) and a resulting flow pattern ( 3B) when operating a nozzle arrangement according to 2A , B in schematic representation,
4 an exemplary arrangement of several nozzle arrangements on a front wall in plan view from the direction of the combustion chamber in a schematic representation,
5 an embodiment of the nozzle arrangement with the formation of a fuel nozzle as a partially circumferential gap in plan view from the direction of the combustion chamber in a schematic representation,
6 an embodiment of the nozzle arrangement with axially offset arrangement of the oxidizer nozzle and the fuel nozzle in a schematic representation of a part of the burner system in longitudinal section,
7 A , B the fuel nozzle with design as a partially circumferential gap in different orientations in plan view from the direction of the combustion chamber in a schematic representation,
8 A-C Embodiments with different designs and arrangements of the fuel nozzle relative to the oxidizer nozzle in plan view from the direction of the combustion chamber in a schematic representation,
9 a further embodiment of the nozzle arrangement with axially offset arrangement of the oxidizer nozzle and the fuel nozzle and mixing channel arranged between them in a schematic representation of a part of the burner system in longitudinal section and
10 another embodiment of the burner system with the nozzle arrangement and a pilot burner arrangement in a schematic representation of a part of the burner system in longitudinal section.

1 zeigt in schematischer, vereinfachter Darstellung im Längsschnitt ein Brennersystem mit einer Brennkammer 3, an welche eingangsseitig über eine Stirnwand 2 ein Brennerkopf 1 zur Zugabe von Oxidator 122 und Brennstoff 142 in die Brennkammer 3 angeordnet ist. Die Brennkammer 3 und/oder der Brennerkopf 1 sind vorzugsweise rotationssymmetrisch bezüglich einer Längsachse L des Brennersystems ausgebildet. 1 shows in a schematic, simplified representation in longitudinal section a burner system with a combustion chamber 3, on the inlet side of which a burner head 1 for adding oxidizer 122 and fuel 142 to the combustion chamber 3 is arranged via an end wall 2. The combustion chamber 3 and/or the burner head 1 are preferably designed to be rotationally symmetrical with respect to a longitudinal axis L of the burner system.

Das Brennersystem ist als Jet-stabilisiertes Brennersystem ausgebildet. Dabei werden im Betrieb die Frischgase (Brennstoff 142 und Oxidator 122) drallfrei mit einem derart hohen axialen Impuls in die Brennkammer 3 eingedüst, dass sich eine (gemeinsame) großräumige, brennkammerinterne Rezirkulationszone 20 ausbildet. Typische Eintrittsgeschwindigkeiten des Oxidators und/oder eines Oxidator- /Brennstoffgemisches in die Brennkammer 3 betragen z. B. zwischen 60 m/s und 200 m/s.The burner system is designed as a jet-stabilized burner system. During operation, the fresh gases (fuel 142 and oxidizer 122) are injected into the combustion chamber 3 without swirl and with such a high axial impulse that a (common) large-scale recirculation zone 20 is formed within the combustion chamber. Typical entry speeds of the oxidizer and/or an oxidizer/fuel mixture into the combustion chamber 3 are, for example, between 60 m/s and 200 m/s.

Zur Zugabe der Frischgase weist der Brennerkopf 1 zumindest eine, vorzugsweise mehrere Düsenanordnungen 10 auf. Zur Zugabe von Brennstoff 142 umfassen die Düsenanordnungen 10 jeweils eine Oxidatordüse 12 und eine Brennstoffdüse 14. Die Oxidatordüse 12 mündet jeweils mit einem Austritt 120 über die Stirnwand 2 in die Brennkammer 3 und ist bezüglich einer Mittelachse M1 ausgerichtet, wobei der Austritt 120 rechtwinklig zu der Mittelachse M1 angeordnet ist. Der Austritt 120 ist vorliegend beispielhaft an der Stirnwand 2 ausgebildet. Möglich ist auch eine Anordnung stromab der Stirnwand 2, insbesondere am Ende einer Oxidator-Zufuhrleitung. Die Mittelachse M1 erstreckt sich senkrecht zu einer Innenfläche 132 (vgl. 2A) durch deren Flächenschwerpunkt (vgl. 5).To add the fresh gases, the burner head 1 has at least one, preferably several nozzle arrangements 10. To add fuel 142, the nozzle arrangements 10 each comprise an oxidizer nozzle 12 and a fuel nozzle 14. The oxidizer nozzle 12 opens into the combustion chamber 3 via the end wall 2 with an outlet 120 and is aligned with respect to a central axis M1, wherein the outlet 120 is arranged at right angles to the central axis M1. The outlet 120 is formed in the present example on the end wall 2. An arrangement downstream of the end wall 2 is also possible, in particular at the end of an oxidizer supply line. The central axis M1 extends perpendicular to an inner surface 132 (cf. 2A) by their centroid (cf. 5 ).

Die Brennstoffdüse 14 ist bezüglich einer weiteren Mittelachse M2 ausgerichtet und mündet mit einem Austritt 140 in die im Betrieb vorhandene Oxidatorströmung und/oder in die Brennkammer 3. Die Mittelachse M2 erstreckt sich senkrecht zu und durch den Flächenschwerpunkt des Austritts 140 (vgl. 2A) oder, bei Ausbildung der Brennstoffdüse als teilumlaufenden Spalt 141, senkrecht zu einer Innenfläche 152 durch deren Flächenschwerpunkt (vgl. 5).The fuel nozzle 14 is aligned with respect to a further central axis M2 and opens with an outlet 140 into the oxidizer flow present during operation and/or into the combustion chamber 3. The central axis M2 extends perpendicular to and through the center of gravity of the outlet 140 (cf. 2A) or, if the fuel nozzle is designed as a partially circumferential gap 141, perpendicular to an inner surface 152 through its center of gravity (cf. 5 ).

2A und 2B zeigen ein Beispiel einer vorgeschlagenen Ausbildung des Austritts 120 in einer Draufsicht auf den Austritt 120 der Oxidatordüse 12 und den Austritt 140 der Brennstoffdüse 14 (2A) und in einer perspektivischen Ansicht auf die Austritte 120, 140 der Düsenanordnung 10 (2B). 2A and 2 B show an example of a proposed design of the outlet 120 in a plan view of the outlet 120 of the oxidizer nozzle 12 and the outlet 140 of the fuel nozzle 14 ( 2A) and in a perspective view of the outlets 120, 140 of the nozzle arrangement 10 ( 2 B) .

Der Austritt 120 weist einen um die Mittelachse M1 teilumlaufenden Spalt 121 auf, bzw. ist daraus gebildet, der eine wesentlich größere Längenausdehnung als Spalthöhe H aufweist. Der Spalt 121 ist vorliegend beispielhaft gerundet bzw. gekrümmt, insbesondere U-förmig (Hufeisen-förmig), ausgebildet, wobei sich der Spalt in Umlaufrichtung um mehr als 180° und beispielsweise weniger als 270° um die Mittelachse M1 erstreckt. Die beiden Stirnseiten des Spaltes 121 bilden Spaltenden 131. Zwischen den Spaltenden 131 ist eine geschlossene Seite 126 gebildet, auf der kein Spalt 121 vorhanden ist, d. h. die geschlossene Seite 126 erstreckt sich in Umlaufrichtung über einen Bereich ohne Spalt 121. Durch eine virtuelle Verbindungslinie 130 von dem einen Spaltende 131 zu dem anderen Spaltende 131 wird der teilumlaufende Spalt 121 zu einer umlaufend geschlossenen Form virtuell ergänzt, wobei der teilumlaufende Spalt 121 und die Verbindungslinie 130 eine Innenfläche 132 einschließen. Die virtuelle Verbindungslinie 130 bildet dabei eine gerade Linie von dem einen Spaltende 131 zu dem anderen Spaltende 131 (beispielsweise ab den Enden der radial inneren Längskante 124 des teilumlaufenden Spaltes 121), ohne den Spalt 121 zu schneiden. Vorliegend ist beispielhaft die Spalthöhe H über die Länge des Spaltes 121 konstant.The outlet 120 has a gap 121 which partially runs around the central axis M1, or is formed from it, which has a significantly greater length than the gap height H. The gap 121 is, for example, rounded or curved, in particular U-shaped (horseshoe-shaped), with the gap extending in the circumferential direction by more than 180° and, for example, less than 270° around the central axis M1. The two end faces of the gap 121 form gap ends 131. Between the gap ends 131, a closed side 126 is formed on which no gap 121 is present, i.e. the closed side 126 extends in the circumferential direction over an area without a gap 121. The partially circumferential gap 121 is virtually supplemented to form a circumferentially closed shape by a virtual connecting line 130 from one gap end 131 to the other gap end 131, wherein the partially circumferential gap 121 and the connecting line 130 enclose an inner surface 132. The virtual connecting line 130 forms a straight line from one gap end 131 to the other gap end 131 (for example from the ends of the radially inner longitudinal edge 124 of the partially circumferential gap 121), without intersecting the gap 121. In the present case, for example, the gap height H is constant over the length of the gap 121.

Für eine gleichmäßige Verbrennung im Betrieb ist der teilumlaufende Spalt 121 bezüglich einer Symmetrieebene S1 spiegelsymmetrisch ausgebildet.To ensure uniform combustion during operation, the partially circumferential gap 121 is designed to be mirror-symmetrical with respect to a plane of symmetry S1.

Der Austritt 140 des Brennstoffes 142 ist radial und in Umlaufrichtung (bezüglich der Längsachse L) im Bereich der Innenfläche 132 angeordnet und weist beispielhaft einen kreisförmigen Strömungsquerschnitt auf. Die Mittelachse M2 der Brennstoffdüse 14 liegt in der Symmetrieebene S1 der Oxidatordüse 12.The outlet 140 of the fuel 142 is arranged radially and in the circumferential direction (with respect to the longitudinal axis L) in the region of the inner surface 132 and has, for example, a circular flow cross-section. The center axis M2 of the fuel nozzle 14 lies in the plane of symmetry S1 of the oxidizer nozzle 12.

Der Austritt 140 ist bespielhaft, für eine nicht-vorgemischte Zufuhr von Oxidator 122 und Brennstoff 142 in die Brennkammer 3, axial auf Position des Austritts 120 der Oxidatordüse 12 an der Stirnwand 2 angeordnet.The outlet 140 is arranged, for example, for a non-premixed supply of oxidizer 122 and fuel 142 into the combustion chamber 3, axially at the position of the outlet 120 of the oxidizer nozzle 12 on the front wall 2.

2B zeigt perspektivisch aus Blickrichtung der Brennkammer 3 die Strömungsverteilung im Betrieb am Austritt 120 und am Austritt 140 an der Düsenanordnung 10. Dabei strömt der Oxidator 122 mit hoher axialer Geschwindigkeit bezüglich der Hauptströmungsrichtung (z. B. zwischen 60 m/s und 200 m/s) aus dem Austritt 120 drallfrei in die Brennkammer 3 ein. Der Brennstoff 142 strömt mit einer axialen Geschwindigkeit bezüglich der Hauptströmungsrichtung von z. B. zwischen 80 und 300 m/s anhängig vom Brennstoff vorliegend beispielhaft drallfrei aus dem Austritt 140 in die Brennkammer 3 ein. 2 B shows in perspective from the direction of view of the combustion chamber 3 the flow distribution during operation at the outlet 120 and at the outlet 140 on the nozzle arrangement 10. The oxidizer 122 flows at a high axial speed with respect to the main flow direction (e.g. between 60 m/s and 200 m/s) from the outlet 120 into the combustion chamber 3 without swirl. The fuel 142 flows at an axial speed with respect to the main flow direction of e.g. between 80 and 300 m/s, depending on the fuel, in this case swirl-free from the outlet 140 into the combustion chamber 3.

3A zeigt schematisch eine aus der Strömungsverteilung an dem Austritt 120 und an dem Austritt 140 resultierende Druckverteilung 18, wobei sich um den Spalt 121 ein Unterdruckgebiet nach Art einer Strahlpumpe ausbildet, insbesondere in dem Bereich der Innenfläche 132. 3A shows schematically a pressure distribution 18 resulting from the flow distribution at the outlet 120 and at the outlet 140, wherein a negative pressure region is formed around the gap 121 in the manner of a jet pump, in particular in the region of the inner surface 132.

Durch die Ausbildung des Austritts 120 als teilumlaufender Spalt 121 mit der geschlossenen Seite 126 tritt der Oxidatorstrahl teilumlaufend aus dem Austritt 120 axial aus, wobei in dem (radial-umlaufenden) Bereich der geschlossenen Seite 126 keine Oxidatorströmung vorhanden ist. Der Oxidatorstrahl bildet so einen teiloffenen Raum 134 (2B). Durch das Unterdruckgebiet wird Abgas 16 aus der Rezirkulationszone 20 insbesondere aus Richtung der geschlossenen Seite 126 in den teiloffenen Raum 134, gleichsam in die Strahlmitte, eingesaugt, was eine gute Mischwirkung bedingt.By designing the outlet 120 as a partially circumferential gap 121 with the closed side 126, the oxidizer jet exits the outlet 120 axially in a partially circumferential manner, with no oxidizer flow being present in the (radially circumferential) area of the closed side 126. The oxidizer jet thus forms a partially open space 134 ( 2 B) Through the negative pressure region, exhaust gas 16 is sucked from the recirculation zone 20, in particular from the direction of the closed side 126, into the partially open space 134, as it were into the center of the jet, which results in a good mixing effect.

Aufgrund der Ausbildung des Austritts 120 als Spalt 121 resultierend in einer großen Oberfläche des eindringenden Oxidators 122 wird die Ansaugung des Abgases verstärkt. Zudem ermöglicht die daraus resultierende große Kontaktfläche eine optimierte lokale Mischung zwischen dem Oxidator 122 und dem angesaugten Abgas 16.Due to the formation of the outlet 120 as a gap 121 resulting in a large surface area of the penetrating oxidizer 122, the intake of the exhaust gas is increased. In addition, the resulting large contact surface enables an optimized local mixing between the oxidizer 122 and the intake exhaust gas 16.

3B zeigt schematisch ein aus der Druckverteilung 18 und der Strömungsverteilung an den Austritten 120, 140 resultierendes Strömungsprofil stromab der Austritte 120, 140 (axial z. B. zwischen ein- bis dreimal einer charakteristischen Länge, z. B. einer radialen Ausdehnung der Innenfläche 132, von der Innenfläche 132 beabstandet). Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Austritts 120 werden weiter stromab Hufeisenwirbel gebildet, wobei die Oxidatorströmung in die Abgasströmung eintritt. Durch diese Wirbelbildung wird die lokale Mischung stromab des Austritts 120 verstärkt. 3B shows schematically a flow profile resulting from the pressure distribution 18 and the flow distribution at the outlets 120, 140 downstream of the outlets 120, 140 (axially, for example, between one and three times a characteristic length, for example a radial extension of the inner surface 132, spaced from the inner surface 132). Due to the inventive design of the outlet 120, horseshoe vortices are formed further downstream, with the oxidizer flow entering the exhaust gas flow. This vortex formation increases the local mixing downstream of the outlet 120.

In dem in 2A und 2B gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Austritt 140 der Brennstoffdüse 14 radial und in Umlaufrichtung bezüglich der Längsachse L im Bereich der Innenfläche 132 und/oder, für eine gleichmäßige Verbrennung, mit ihrer Mittelachse M2 auf der Symmetrieebene S1 angeordnet. Durch diese Ausbildung erfasst die lokale Mischung mittels des angesaugten Abgases 16 auch die eindringende Brennstoffströmung.In the 2A and 2 B In the embodiment shown, the outlet 140 of the fuel nozzle 14 is arranged radially and in the circumferential direction with respect to the longitudinal axis L in the region of the inner surface 132 and/or, for uniform combustion, with its central axis M2 on the plane of symmetry S1. Due to this design, the local mixture by means of the sucked-in exhaust gas 16 also captures the penetrating fuel flow.

4 zeigt das Brennersystem 1 umfassend mehrere, hier z. B. acht, beispielhaft gleichartig ausgebildete Düsenanordnungen 10 in Draufsicht auf die Stirnwand 2. Die Düsenanordnungen 10 sind mit den Mittelachsen M1 der Oxidatordüsen 12 auf einer gedachten Kreislinie um die Längsachse L zur Bildung eines Düsenrings 22 angeordnet. Radial sind die Düsenanordnungen 10 näher an der Brennkammerwand als an der Längsachse L gelegen. Die Düsenringanordnung bildet dabei die Konfiguration eines rezirkulationsstabilisierten Strahlflammenbrenners, wodurch im Betrieb die großräumige Rezirkulationszone 20 ausgebildet wird. 4 shows the burner system 1 comprising several, here for example eight, exemplary nozzle arrangements 10 of the same design in a plan view of the front wall 2. The nozzle arrangements 10 are arranged with the center axes M1 of the oxidizer nozzles 12 on an imaginary circular line around the longitudinal axis L to form a nozzle ring 22. Radially, the nozzle arrangements 10 are located closer to the combustion chamber wall than to the longitudinal axis L. The nozzle ring arrangement forms the configuration of a recirculation-stabilized jet flame burner, whereby the large-scale recirculation zone 20 is formed during operation.

Die geschlossenen Seiten 126 sind vorzugsweise in Richtung derjenigen Seite ausgerichtet, aus der der Ansaugeffekt erwünscht ist. In dem vorliegenden Beispiel sind die geschlossenen Seiten 126 in Richtung Längsachse L weisend ausgerichtet, wobei die Symmetrieebenen S1 der Düsenanordnung 10 in ihren Verlängerungen jeweils durch die Längsachse L verlaufen.The closed sides 126 are preferably aligned in the direction of the side from which the suction effect is desired. In the present example, the closed sides 126 are aligned pointing in the direction of the longitudinal axis L, wherein the symmetry planes S1 of the nozzle arrangement 10 in their extensions each run through the longitudinal axis L.

Durch die Anordnung und/oder Ausbildung der Brennstoffdüse 14 mit ihrem Austritt 140 relativ zu dem Austritt 120 der Oxidatordüse 12 kann die Einmischung des Brennstoffes 142 bezüglich des Oxidators 122 und/oder Abgases 16 beeinflusst werden. Bei dem in 2A und 2B gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Austritt 140 der Brennstoffdüse 14 beispielhaft radial näher an dem Spalt 121 angeordnet als an der geschlossenen Seite 126 mit der Verbindungslinie 130. Die Mittelachse M1 der Oxidatordüse 12 und die Mittelachse M2 der Brennstoffdüse 14 liegen nicht aufeinander. Dadurch kann ein früherer Kontakt zwischen Oxidator 122 und Brennstoff 142 erreicht werden als bei einer größeren Beanstandung des Austritts 140 der Brennstoffdüse 14 von dem Austritt 120 der Oxidatordüse 12.The arrangement and/or design of the fuel nozzle 14 with its outlet 140 relative to the outlet 120 of the oxidizer nozzle 12 can influence the mixing of the fuel 142 with respect to the oxidizer 122 and/or exhaust gas 16. In the 2A and 2 B In the embodiment shown, the outlet 140 of the fuel nozzle 14 is arranged radially closer to the gap 121 than on the closed side 126 with the connecting line 130. The center axis M1 of the oxidizer nozzle 12 and the center axis M2 of the fuel nozzle 14 do not lie on top of one another. As a result, earlier contact between the oxidizer 122 and the fuel 142 can be achieved than if the outlet 140 of the fuel nozzle 14 is further away from the outlet 120 of the oxidizer nozzle 12.

5 bis 8 zeigen insbesondere Variationen in der Ausbildung und/oder Anordnung der Brennstoffdüse 14 der Düsenanordnung 10. 5 until 8th show in particular variations in the design and/or arrangement of the fuel nozzle 14 of the nozzle arrangement 10.

Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Austritt 140 der Brennstoffdüse 14, analog zur Ausbildung des Austritts 120 der Oxidatordüse 12, als um die Mittelachse M2 teilumlaufender Spalt 141 mit zwei Längskanten 144 ausgebildet. Dabei ist zwischen zwei Spaltenden 151 eine geschlossene Seite 146, ohne Spalt 141, vorhanden. Durch eine virtuelle Verbindungslinie 150 von dem einen Spaltende 151 zu dem anderen Spaltende 151 (in direkter, gerader Verbindung, den Spalt 141 nicht schneidend) wird der teilumlaufende Spalt 141 zu einer umlaufend geschlossenen Form virtuell ergänzt, wobei der teilumlaufende Spalt 141 und die Verbindungslinie 150 eine Innenfläche 152 einschließen. Die Brennstoffdüse 14 ist vorzugsweise spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene S2 ausgerichtet. Auf diese Weise wird auch bezüglich des Brennstoffstrahls eine Strömungsverteilung nach dem Prinzip wie bezüglich der Oxidatordüse 12 (vgl. 2B und 3A) bewirkt, die in einem verstärkten Ansaugeffekt und/oder einer vergrößerten Oberfläche resultieren.In the 5 In the embodiment shown, the outlet 140 of the fuel nozzle 14 is designed, analogously to the design of the outlet 120 of the oxidizer nozzle 12, as a gap 141 partially encircling the central axis M2 with two longitudinal edges 144. In this case, between two gap ends 151, a closed side 146, without gap 141. By means of a virtual connecting line 150 from one gap end 151 to the other gap end 151 (in a direct, straight connection, not intersecting the gap 141), the partially circumferential gap 141 is virtually supplemented to form a circumferentially closed form, with the partially circumferential gap 141 and the connecting line 150 enclosing an inner surface 152. The fuel nozzle 14 is preferably aligned mirror-symmetrically to a plane of symmetry S2. In this way, a flow distribution is also achieved with respect to the fuel jet according to the principle as with respect to the oxidizer nozzle 12 (cf. 2 B and 3A) which result in an increased suction effect and/or an increased surface area.

Die geschlossene Seite 146 ist vorliegend beispielhaft in Richtung der geschlossenen Seite 126 der Oxidatordüse 12 ausgerichtet, wobei die Symmetrieebenen S1 und S2 einander entsprechen. Auf diese Weise wird zunächst eine verstärkte Mischung sowohl des eindringenden Brennstoffes 142 mit angesaugtem Abgas 16 als auch des eindringenden Oxidators 122 mit angesaugtem Abgas 16 bewirkt. Weiter stromab werden die lokalen Brennstoff/Abgas- und Oxidator/Abgas-Gemische vermischt. Diese Konfiguration eignet sich insbesondere zur Verwendung mit Abgasen aufweisend einen hohen Restsauerstoffgehalt, wobei zunächst der Restsauerstoff mit dem Brennstoff 142 umgesetzt werden kann. Dabei wird eine schnelle Zündung des Brennstoff-Abgasgemisches unter teilweise brennstoffreichen (überstöchiometrischen: fetten) Bedingungen, jedoch mit vergleichsweise geringen Verbrennungstemperaturen erreicht. Weiter stromab dieser sich ausbildenden, vorgelagerten Verbrennungszone wird das sich bildende Gasgemisch nach Einmischung des Oxidators unter brennstoffarmen (unterstöchiometrischen: mageren) Bedingungen nachverbrannt.In the present case, the closed side 146 is oriented, for example, in the direction of the closed side 126 of the oxidizer nozzle 12, with the planes of symmetry S1 and S2 corresponding to one another. In this way, an increased mixing of both the incoming fuel 142 with the sucked-in exhaust gas 16 and the incoming oxidizer 122 with the sucked-in exhaust gas 16 is initially brought about. Further downstream, the local fuel/exhaust gas and oxidizer/exhaust gas mixtures are mixed. This configuration is particularly suitable for use with exhaust gases having a high residual oxygen content, whereby the residual oxygen can initially be reacted with the fuel 142. This achieves rapid ignition of the fuel-exhaust gas mixture under partially fuel-rich (overstoichiometric: rich) conditions, but with comparatively low combustion temperatures. Further downstream of this developing upstream combustion zone, the gas mixture that forms is post-combusted under fuel-poor (substoichiometric: lean) conditions after the oxidizer has been mixed in.

Eine Ausbildung der Brennstoffdüse 14 mit dem teilumlaufenden Spalt 141 ist auch in Zusammenhang mit einer in 6 gezeigten Ausbildungsvariante der Düsenanordnung 10 vorteilhaft. Dabei ist der Austritt 140 der Brennstoffdüse 14 gegenüber dem Austritt 120 der Oxidatordüse 12 (bezüglich der Längsachse L) axial zurückversetzt angeordnet. Auf diese Weise wird im Betrieb der Brennstoff 142 stromauf der Brennkammer 3 in die Oxidatorströmung zugegeben, wodurch eine Vormischung von Oxidator 122 und Brennstoff 142 vor Zufuhr in die Brennkammer 3 erreicht wird. Das gebildete Brennstoff/Oxidator-Gemisch tritt durch die Oxidatordüse 12 in die Brennkammer 3 ein, wo es anschließend zusätzlich mit Abgas 16 vermischt wird. Je nach Oxidator-/Brennstoffverhältnis können so (auch lokal) brennstoffarme Bedingungen erreicht werden, die mit vergleichsweise geringen Verbrennungstemperaturen innerhalb der Verbrennungszone in der Brennkammer 3 einhergehen.A design of the fuel nozzle 14 with the partially circumferential gap 141 is also possible in connection with a 6 shown embodiment of the nozzle arrangement 10 is advantageous. The outlet 140 of the fuel nozzle 14 is arranged axially offset from the outlet 120 of the oxidizer nozzle 12 (with respect to the longitudinal axis L). In this way, during operation, the fuel 142 is added to the oxidizer flow upstream of the combustion chamber 3, whereby a premix of oxidizer 122 and fuel 142 is achieved before supply to the combustion chamber 3. The fuel/oxidizer mixture formed enters the combustion chamber 3 through the oxidizer nozzle 12, where it is then additionally mixed with exhaust gas 16. Depending on the oxidizer/fuel ratio, fuel-poor conditions can be achieved (also locally), which are accompanied by comparatively low combustion temperatures within the combustion zone in the combustion chamber 3.

Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffdüse 14 stromauf des Austritts 140 kanalartig, beispielsweise mit einer Zufuhrleitung 148, ausgebildet. Die Zufuhrleitung 148 ragt in einen Oxidatorverteilerraum 136 hinein, durch welchen im Betrieb Oxidator 122 an den Austritt 120 heranströmt. Der Austritt 120 kann als teilumlaufender Spalt 121 ausgebildet sein oder eine andere Form aufweisen, z. B. kreisförmig.In the 6 In the embodiment shown, the fuel nozzle 14 is designed as a channel upstream of the outlet 140, for example with a supply line 148. The supply line 148 projects into an oxidizer distribution chamber 136, through which oxidizer 122 flows to the outlet 120 during operation. The outlet 120 can be designed as a partially circumferential gap 121 or have another shape, e.g. circular.

Auf diese Weise wird der Brennstoff 142 in eine Parallelströmung von Oxidator 122 eingebracht, insbesondere stromauf des Austritts 120. Durch die spaltartige Ausbildung des Austritts 140 wird ein Ansaugeffekt betreffend die Oxidatorströmung und eine entsprechend verbesserte Vormischung erreicht.In this way, the fuel 142 is introduced into a parallel flow of oxidizer 122, in particular upstream of the outlet 120. The gap-like design of the outlet 140 achieves a suction effect on the oxidizer flow and a correspondingly improved premixing.

Eine Verbesserung der Vormischung ergibt sich, wenn das stromabseitige Ende der Zufuhrleitung 148 auf axialer Höhe des Austritts 140 eine Abrisskante 154 aufweist. Durch die Abrisskante wird ein Nachlaufgebiet 156 mit kleinskaliger Wirbelbildung erreicht.An improvement in the premixing results when the downstream end of the supply line 148 has a separation edge 154 at the axial height of the outlet 140. The separation edge creates a wake region 156 with small-scale vortex formation.

Wie 7A und 7B in einer Draufsicht auf die Brennstoffdüse 14 zeigen, kann auch bezüglich der Brennstoffdüse 14 die geschlossene Seite 146 in eine bevorzugte Richtung ausgerichtet sein, insbesondere entsprechend der Richtung, aus welcher der Ansaugeffekt erwünscht ist.How 7A and 7B in a plan view of the fuel nozzle 14, the closed side 146 can also be oriented in a preferred direction with respect to the fuel nozzle 14, in particular corresponding to the direction from which the suction effect is desired.

Möglich ist in diesem Zusammenhang auch eine Ausrichtung der geschlossenen Seite 146 auf die der geschlossenen Seite 126 gegenüberliegende Seite, in Richtung des teilumlaufenden Spalts 121 der Oxidatordüse 12. Auf diese Weise wird ein Ansaugeffekt durch den Brennstoff 142 auf den einströmenden Oxidator 122 ausgeübt und so die Mischung zwischen Brennstoff 142 und Oxidator 122 verstärkt.In this context, it is also possible to align the closed side 146 with the side opposite the closed side 126, in the direction of the partially circumferential gap 121 of the oxidizer nozzle 12. In this way, a suction effect is exerted by the fuel 142 on the inflowing oxidizer 122 and thus the mixture between fuel 142 and oxidizer 122 is increased.

In den 8A, 8B und 8C ist jeweils die Brennstoffdüse 14 radial und in Umlaufrichtung (bezüglich der hier nicht gezeigten Längsachse L) im Bereich des teilumlaufenden Spaltes 121 angeordnet, wobei die Brennstoffdüse 14 zumindest teilweise zwischen den Längskanten 124 liegt. So wird im Betrieb der Brennstoff 142 bei Eindüsung in die Brennkammer 3 zumindest teilweise von dem Oxidator 122 umgeben. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise die Spalthöhe H des Spaltes 121 der Oxidatordüse 12 im Bereich der Brennstoffdüse 14 vergrößert. Durch diese so erreichte Integration des Brennstoffstrahls in die Oxidatorströmung kann eine frühe Vermischung von Brennstoff 142 mit dem heißen Abgas 16 verhindert werden, wodurch die Zündung des sich bildenden Gemisches verzögert wird.In the 8A , 8B and 8C the fuel nozzle 14 is arranged radially and in the direction of rotation (with respect to the longitudinal axis L not shown here) in the region of the partially circumferential gap 121, with the fuel nozzle 14 at least partially located between the longitudinal edges 124. In operation, the fuel 142 is thus at least partially surrounded by the oxidizer 122 when injected into the combustion chamber 3. For this purpose, the gap height H of the gap 121 of the oxidizer nozzle 12 is preferably increased in the region of the fuel nozzle 14. This integration of the fuel jet into the oxidizer flow thus achieved can result in early mixing of the fuel 142 with the hot Exhaust gas 16 can be prevented, thereby delaying the ignition of the forming mixture.

Bei dem in 8A gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffdüse 14 beispielhaft mit kreisförmigem Austritt 140 ausgebildet.In the 8A In the embodiment shown, the fuel nozzle 14 is designed with a circular outlet 140.

Bei dem in 8B gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffdüse 14 mit Ausbildung des Austritts 140 mit teilumlaufendem Spalt 141 ausgebildet, wodurch im Betrieb die Mischung zwischen Brennstoff 142 und Oxidator 122 optimiert wird.In the 8B In the embodiment shown, the fuel nozzle 14 is designed with the outlet 140 having a partially circumferential gap 141, whereby the mixture between fuel 142 and oxidizer 122 is optimized during operation.

Bei dem in 8C gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffdüse 14 teilweise in den teilumlaufenden Spalt 121 der Oxidatordüse 12 integriert.In the 8C In the embodiment shown, the fuel nozzle 14 is partially integrated into the partially circumferential gap 121 of the oxidizer nozzle 12.

9 zeigt, in Anlehnung an 6, in einer vormischenden Konfiguration eine Düsenanordnung 10, bei welcher der Austritt 140 der Brennstoffdüse 14 stromauf des Austritts 120 der Oxidatordüse 12 angeordnet ist. Der Austritt 140 ist mit dem teilumlaufenden Spalt 141 ausgebildet. Der Austritt 120 ist beispielhaft kreisrund ausgebildet. 9 shows, based on 6 , in a premixing configuration, a nozzle arrangement 10 in which the outlet 140 of the fuel nozzle 14 is arranged upstream of the outlet 120 of the oxidizer nozzle 12. The outlet 140 is formed with the partially circumferential gap 141. The outlet 120 is circular in an exemplary manner.

Die axiale Strecke (Abstand) zwischen den Austritten 120, 140 wird im Weiteren als Mischtrecke 248 bezeichnet. Die Länge der Mischstrecke 248 ist unter Berücksichtigung der Zündverzugszeit (Zeit von Gemischbildung bis Zündung) derart ausgelegt, dass bei allen Betriebspunkten die Aufenthaltszeit eines gebildeten Brennstoff- /Oxidatorgemisches in der Mischstrecke 248 geringer ist als die Zündverzugszeit unter den entsprechenden Betriebsbedingungen, um eine Zündung innerhalb der Mischstrecke 248 zu vermeiden.The axial distance (distance) between the outlets 120, 140 is referred to below as the mixing section 248. The length of the mixing section 248 is designed taking into account the ignition delay time (time from mixture formation to ignition) such that at all operating points the residence time of a fuel/oxidizer mixture formed in the mixing section 248 is less than the ignition delay time under the corresponding operating conditions in order to avoid ignition within the mixing section 248.

So kann die Länge der Mischstrecke 248 z. B. bei einem Brennerkopf 1, der zum Betrieb mit Brennstoff vergleichsweise geringer Reaktivität (z. B. Erdgas und/oder Methan) ausgelegt ist, anders, insbesondere größer, sein bei einem Brennerkopf 1, der (z. B. auch) zum Betrieb mit einem hochreaktiven Brennstoff, z. B. einem Wasserstoff aufweisenden oder aus Wasserstoff gebildeten Brenngas, ausgelegt ist.For example, the length of the mixing section 248 can be different, in particular longer, in the case of a burner head 1 which is designed for operation with fuel of comparatively low reactivity (e.g. natural gas and/or methane) than in the case of a burner head 1 which is (e.g. also) designed for operation with a highly reactive fuel, e.g. a fuel gas containing hydrogen or formed from hydrogen.

In der Mischtrecke 248 ist ein beispielhaft (ausschließlich) axial durch den Oxidatorverteilerraum 136 verlaufender, z. B. zylindrisch ausgebildeter Mischkanal 24 angeordnet. Eine Mittellängsachse des Mischkanals 24 ist z. B. koaxial zu der Brennstoffdüse 14 und/oder der Oxidatordüse 12 ausgerichtet. Der hier beispielhaft kreisförmige, über die axiale Länge konstante Strömungsquerschnitt des Mischkanals 24 ist größer als der Strömungsquerschnitt des Austritts 140 der Brennstoffdüse 14 und größer als Strömungsquerschnitt der Zufuhrleitung 148.In the mixing section 248, a mixing channel 24 is arranged which runs (exclusively) axially through the oxidizer distribution chamber 136, for example, and is cylindrical. A central longitudinal axis of the mixing channel 24 is aligned, for example, coaxially with the fuel nozzle 14 and/or the oxidizer nozzle 12. The flow cross-section of the mixing channel 24, which is circular here and constant over the axial length, is larger than the flow cross-section of the outlet 140 of the fuel nozzle 14 and larger than the flow cross-section of the supply line 148.

Die Mischtrecke 248 weist beispielhaft an zwei unterschiedlichen axialen Positionen Öffnungen 246 auf. Vorzugsweise sind die Öffnungen 246 umlaufend symmetrisch um den Mischkanal 24 oder stromauf und/oder stromab des Mischkanals 24 angeordnet, z. B. kreisringförmig und/oder mit mehreren, äquidistanten Öffnungen 246. Durch die Öffnungen 246 kann im Betrieb Oxidator 122 unmittelbar aus dem Oxidatorverteilerraum 136 in die Brennstoffströmung innerhalb des Mischkanals 24 stromauf der Brennkammer 3 einströmen. Durch die Zugabe an mehreren, unterschiedlichen axialen Positionen kann die Einströmung und/oder Vormischung von Oxidator 122 axial gestuft erfolgen und dabei unterschiedlich wirken.The mixing section 248 has openings 246 at two different axial positions, for example. The openings 246 are preferably arranged symmetrically around the mixing channel 24 or upstream and/or downstream of the mixing channel 24, e.g. in a circular ring shape and/or with several equidistant openings 246. During operation, oxidizer 122 can flow through the openings 246 directly from the oxidizer distribution chamber 136 into the fuel flow within the mixing channel 24 upstream of the combustion chamber 3. By adding it at several different axial positions, the inflow and/or premixing of oxidizer 122 can take place in an axially stepped manner and have different effects.

Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich die erste axiale Position unmittelbar stromab des Austritts 140 der Brennstoffdüse 14. So kann im Betrieb der aus dem Austritt 140 austretende Brennstoff 142 unmittelbar stromab mit aus dem Oxidatorverteilerraum 136 angesaugten Oxidator 122 zusammengeführt und in einem sich stromab innerhalb des Mischkanals 24 fortsetzenden Mischprozesses vorgemischt werden.In the 9 In the embodiment shown, the first axial position is located immediately downstream of the outlet 140 of the fuel nozzle 14. During operation, the fuel 142 exiting from the outlet 140 can thus be combined immediately downstream with the oxidizer 122 sucked in from the oxidizer distribution chamber 136 and premixed in a mixing process continuing downstream within the mixing channel 24.

Die zweite axiale Position befindet sich unmittelbar stromauf der Oxidatordüse 12 bzw. der Stirnwand 2. An der zweiten axialen Position wird im Betrieb weiterer Oxidator 122 aus dem Oxidatorverteilerraum 136 angesaugt, welcher bis zum Eintritt in die Brennkammer 3 lediglich zu einem geringen Grad mit dem zuvor gebildeten Brennstoff-Oxidator-Gemisch vermischt wird. So wird bei Zufuhr in den Brennraum 3 um das aus dem Mischkanal 24 strömende Brennstoff-Oxidator-Gemisch eine Art Mantel-Strömung aus Oxidator 122 gebildet, welche bei Eintritt in den Brennraum 3 eine Mischung des Brennstoff-Oxidator-Gemisches mit Abgas 16 und eine Zündung verzögern kann.The second axial position is located directly upstream of the oxidizer nozzle 12 or the end wall 2. At the second axial position, additional oxidizer 122 is sucked in from the oxidizer distribution chamber 136 during operation, which is only mixed to a small degree with the previously formed fuel-oxidizer mixture until it enters the combustion chamber 3. When fed into the combustion chamber 3, a type of jacket flow of oxidizer 122 is formed around the fuel-oxidizer mixture flowing out of the mixing channel 24, which can delay a mixture of the fuel-oxidizer mixture with exhaust gas 16 and an ignition when it enters the combustion chamber 3.

10 zeigt in einer weiteren Ausbildungsvariante, bei der ebenfalls in einer vormischenden Konfiguration der Austritt 140 der Brennstoffdüse 14, in Ausbildung mit dem teilumlaufenden Spalt 141, stromauf des Austritts 120 der Oxidatordüse 12 angeordnet ist. Wie in 9 ist auch in 10 in der zwischengeordneten Mischtrecke 248 der Mischkanal 24 angeordnet. 10 shows a further embodiment in which the outlet 140 of the fuel nozzle 14, in a premixing configuration with the partially circumferential gap 141, is arranged upstream of the outlet 120 of the oxidizer nozzle 12. As in 9 is also in 10 The mixing channel 24 is arranged in the intermediate mixing section 248.

Der Mischkanal 24 weist beispielhaft einen ersten Abschnitt 242 und einen stromab davon angeordneten, zweiten Abschnitt 244 mit einem größeren Strömungsquerschnitt als der erste Abschnitt 242 auf, deren Strömungsquerschnitte jeweils konstant sind. Der Strömungsquerschnitt des ersten Abschnitts 242 ist geringfügig (beispielsweise um einen Faktor 1,2 bis 2) größer als der Strömungsquerschnitt der Zufuhrleitung 148. Der Strömungsquerschnitt des zweiten Abschnitts 244 ist beispielsweise um den Faktor 1,1 bis 10 größer als der Strömungsquerschnitt des ersten Abschnitts 242.The mixing channel 24 has, for example, a first section 242 and a second section 244 arranged downstream thereof with a larger flow cross-section than the first section 242, the flow cross-sections of which are each constant. The flow cross-section of the first section 242 is slightly (for example by a factor of 1.2 to 2) larger than the flow cross-section of the supply line 148. The flow cross-section of the second section 244 is, for example, by a factor of 1.1 to 10 larger than the flow cross-section of the first section 242.

Im Einzelnen sind die Strömungsquerschnitte, wie auch in 9, unter Berücksichtigung der für den Betrieb erforderlichen Strömungsgeschwindigkeiten und/oder Anteilen an einzusaugendem Oxidator 122 in Abhängigkeit der angestrebten Betriebsbedingungen und/oder Brennstoffe ausgelegt.In detail, the flow cross sections, as in 9 , taking into account the flow velocities and/or proportions of oxidizer 122 to be sucked in required for operation depending on the desired operating conditions and/or fuels.

Wie in 9 weist das Ausführungsbeispiel gemäß 10 die Öffnungen 246 an zwei unterschiedlichen axialen Positionen auf. Die erste axiale Position befindet sich ebenfalls unmittelbar stromab des Austritts 140, zur Vormischung des zugeführten Brennstoffes mit aus dem Oxidatorverteilerraum 136 angesaugtem Oxidator 122, wobei sich der Mischprozess stromab durch den Mischkanal 24 fortsetzt.As in 9 The embodiment according to 10 the openings 246 at two different axial positions. The first axial position is also located immediately downstream of the outlet 140, for premixing the supplied fuel with oxidizer 122 sucked in from the oxidizer distribution chamber 136, with the mixing process continuing downstream through the mixing channel 24.

Die zweite axiale Position befindet sich zwischen dem ersten Abschnitt 242 und dem zweiten Abschnitt 244, wobei die Öffnung 246 z. B. im Wesentlichen umlaufend ausgebildet ist. Durch den größeren Strömungsquerschnitt des zweiten Abschnitts 244 kann beispielsweise, je nach Größe der Öffnung 246, ein vergleichsweise großer Anteil des Oxidators 122 durch die Öffnung 246 an der zweiten Position in den Mischkanal 24 eintreten. Aufgrund der Anordnung der Öffnung 246 im Übergang zu dem zweiten Abschnitt 244 kann sich eine Oxidator-Ummantelung um das Brennstoff- /Oxidatorgemisch bilden, welche das Risiko eines Flammenrückschlags verringert.The second axial position is located between the first section 242 and the second section 244, wherein the opening 246 is formed, for example, essentially circumferentially. Due to the larger flow cross-section of the second section 244, for example, depending on the size of the opening 246, a comparatively large proportion of the oxidizer 122 can enter the mixing channel 24 through the opening 246 at the second position. Due to the arrangement of the opening 246 in the transition to the second section 244, an oxidizer sheath can form around the fuel/oxidizer mixture, which reduces the risk of a flashback.

Optional können Zumischöffnungen 138 vorhanden sein, mittels welcher im Betrieb (nicht mit Brennstoff vorgemischter) Oxidator 122 in die Brennkammer 3 zugeführt werden kann. Beispielsweise ist/sind die Zumischöffnung/en 138 radial um die Oxidatordüse 12 an diese angrenzend (z. B. mit etwa einer Wandstärke von der Oxidatordüse 12 beabstandet), zur z. B. drallfreien, axialen und/oder axial-radialen Zufuhr von Oxidator 122 aus dem Oxidatorverteilerraum 136 angeordnet.Optionally, mixing openings 138 can be provided, by means of which oxidizer 122 (not premixed with fuel) can be fed into the combustion chamber 3 during operation. For example, the mixing opening(s) 138 is/are arranged radially around the oxidizer nozzle 12 adjacent to it (e.g. spaced from the oxidizer nozzle 12 by approximately one wall thickness), for example for swirl-free, axial and/or axial-radial supply of oxidizer 122 from the oxidizer distribution chamber 136.

Bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel sind insbesondere mehrere Düsenanordnungen 10 vorhanden, die in einem Düsenring um die Längsachse L angeordnet sind (aus 10 nicht ersichtlich).In the 10 In the embodiment shown, there are in particular several nozzle arrangements 10 which are arranged in a nozzle ring around the longitudinal axis L (from 10 not apparent).

Der Düsenring ist um eine weiterhin vorhandene, symmetrisch auf der Längsachse L angeordnete Pilotbrenneranordnung 26 angeordnet. Die Pilotbrenneranordnung 26 basiert hier beispielhaft ebenfalls auf dem Prinzip eines Jet-stabilisierten Brennersystems und weist vorzugsweise mehrere Pilot-Düsenanordnungen, mit jeweils zumindest einer Pilot-Oxidatordüse 262 und einer Pilot-Brennstoffdüse 264, zur (ausschließlich) axialen, drallfreien Zufuhr von Pilot-Brennstoff und Oxidator auf.The nozzle ring is arranged around a pilot burner arrangement 26 which is still present and arranged symmetrically on the longitudinal axis L. The pilot burner arrangement 26 is also based here, for example, on the principle of a jet-stabilized burner system and preferably has several pilot nozzle arrangements, each with at least one pilot oxidizer nozzle 262 and one pilot fuel nozzle 264, for the (exclusively) axial, swirl-free supply of pilot fuel and oxidizer.

Die Pilot-Brennstoffdüse 264 wird aus einem separaten, beispielsweise ringförmig umlaufenden Pilot-Brennstoffverteilerraum 160 gespeist, der zusätzlich zu einem die Brennstoffdüse 14 speisenden, beispielsweise ringförmig umlaufenden Brennstoffverteilerraum 158 vorhanden ist.The pilot fuel nozzle 264 is fed from a separate, for example annular, pilot fuel distribution chamber 160, which is present in addition to a fuel distribution chamber 158 which feeds the fuel nozzle 14 and is for example annular.

Eine Pilot-Stirnwand 266 der Pilotbrenneranordnung 26, an welcher insbesondere die Pilot-Oxidatordüsen 262 münden, ist gegenüber den Austritten 120 der Oxidatordüsen 12 des Düsenrings axial zurückversetzt angeordnet. Der Rückversatz ist vorzugsweise derart, dass ein stromauf des Brennraums 3 angeordneter Pilot-Brennraum 270 gebildet ist. Der Pilot-Brennraum 270 ist umlaufend von einer insbesondere zylindrischen Pilot-Wandung 268 umgrenzt. Im Betrieb der Pilotbrenneranordnung 26 wird der Pilot-Brennstoff zumindest teilweise innerhalb des Pilot-Brennraums 270, stromauf der Verbrennungszone in der Brennkammer 3, verbrannt, wobei sich z. B. sich innerhalb des Pilot-Brennraums 270 eine großräumige (den Pilot-Brennraum 270 zumindest großteils einnehmende) Rezirkulationszone ausbilden kann.A pilot end wall 266 of the pilot burner arrangement 26, at which in particular the pilot oxidizer nozzles 262 open, is arranged axially set back from the outlets 120 of the oxidizer nozzles 12 of the nozzle ring. The set back is preferably such that a pilot combustion chamber 270 arranged upstream of the combustion chamber 3 is formed. The pilot combustion chamber 270 is circumferentially bordered by a particularly cylindrical pilot wall 268. During operation of the pilot burner arrangement 26, the pilot fuel is at least partially burned within the pilot combustion chamber 270, upstream of the combustion zone in the combustion chamber 3, whereby, for example, a large-scale recirculation zone (at least largely taking up the pilot combustion chamber 270) can form within the pilot combustion chamber 270.

Wie die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele zeigen, kann die Ausbildung zumindest eines der Austritte 120, 140 als teilumlaufender Spalt 121, 141 sowohl vorteilhaft bei einer vormischenden Konfiguration des Brennerkopfes 1 eingesetzt werden, wobei stromauf der Brennkammer 3 ein (technisch) vorgemischtes Brennstoff/Oxidator-Gemisch gebildet wird, welches in der Brennkammer 3 mit Abgas 16 vermischt wird. Zudem kann die Ausbildung vorteilhaft bei einer nicht vormischenden Konfiguration eingesetzt werden, wobei Brennstoff 14, Oxidator 12 und Abgas 16 in der Brennkammer 3 zusammengeführt werden. Je nach Ausrichtung und/oder Ausbildung der Austritte 120 und/oder der Austritte 140 können dabei unterschiedliche lokale Mischprozesse forciert werden.As the different embodiments show, the design of at least one of the outlets 120, 140 as a partially circumferential gap 121, 141 can be used advantageously in a premixing configuration of the burner head 1, wherein a (technically) premixed fuel/oxidizer mixture is formed upstream of the combustion chamber 3, which is mixed with exhaust gas 16 in the combustion chamber 3. In addition, the design can be used advantageously in a non-premixing configuration, wherein fuel 14, oxidizer 12 and exhaust gas 16 are brought together in the combustion chamber 3. Depending on the orientation and/or design of the outlets 120 and/or the outlets 140, different local mixing processes can be forced.

Mittels der vorgeschlagenen Ausbildung kann eine optimierte lokale Mischung erreicht werden, durch welche eine kompakte Wärmefreisetzungszone resultiert, die vorteilhafterweise eine kompakte Bauweise der Brennkammer 3 und/oder eine Reduktion der Emissionen im Betrieb ermöglicht.By means of the proposed design, an optimized local mixing can be achieved, resulting in a compact heat release zone, which advantageously enables a compact design of the combustion chamber 3 and/or a reduction of emissions during operation.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006051286 A1 [0002]

Claims

Burner head (1) for use in a burner system aligned along a longitudinal axis (L), in particular for gas turbines, which has at least one nozzle arrangement (10), with - at least one oxidizer nozzle (12) for the swirl-free supply of oxidizer (122) into a combustion chamber (10) of the burner system, wherein the oxidizer nozzle (12) is arranged with respect to a central axis (M1) and has an outlet (120) for opening into the combustion chamber (3) via an end face, in particular via an end wall (2), and - at least one fuel nozzle (14) for supplying fuel (142) into the combustion chamber (10), wherein the fuel nozzle (14) is arranged with respect to a further central axis (M2) and has an outlet (140) for opening into the oxidizer flow present during operation from the oxidizer nozzle (12) and/or into the combustion chamber (3), characterized in that in the oxidizer nozzle (12) the outlet (120) is designed as a gap (121) partially surrounding the central axis (M1), wherein a closed side (126) without a gap (121) is present between two gap ends (131), and wherein the partially surrounding gap (121) and a connecting line (130) virtually connecting the gap ends (131) via the closed side (126) enclose an inner surface (132) and/or that in the fuel nozzle (14) the outlet (140) is designed as a gap (141) partially surrounding the central axis (M2), wherein a closed side (146) without a gap (141) is present between two gap ends (151), and wherein the partially surrounding gap (141) and a connecting line (150) virtually connecting the gap ends (151) via the closed side (146) enclose an inner surface (152).

Burner head (1) after Claim 1 , characterized in that the partially circumferential gap (121) of the oxidizer nozzle (12) is designed symmetrically, in particular mirror-symmetrically, with respect to a plane of symmetry (S1) and/or that the partially circumferential gap (151) of the fuel nozzle (14) is designed symmetrically, in particular mirror-symmetrically, with respect to a plane of symmetry (S2).

Burner head (1) after Claim 1 or 2 , characterized in that the partially circumferential gap (121, 151) of the oxidizer nozzle (12) and/or the fuel nozzle (14) is rounded, e.g. partially circular and/or U-shaped.

Burner head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the partially circumferential gap (121) is formed between 180° and 330°, preferably between 180° and 270°, circumferentially around the central axis (M1) of the oxidizer nozzle (12), wherein preferably the remaining circumferential section is formed by the closed side (126) and/or that the partially circumferential gap (151) is formed between 180° and 330°, preferably between 180° and 270°, circumferentially around the central axis (M2) of the fuel nozzle (14), wherein preferably the remaining circumferential section is formed by the closed side (146).

Burner head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the closed side (126) of the oxidizer nozzle (12) and/or the closed side (146) of the fuel nozzle (14) is oriented in the direction of a large-scale recirculation zone formed during operation within the combustion chamber (3), for example pointing in the direction of the longitudinal axis (L) of the burner system.

Burner head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet (140) of the fuel nozzle (14) is arranged radially and in the circumferential direction with respect to the longitudinal axis (L) of the burner system in the region of the inner surface (132) of the oxidizer nozzle (12).

Burner head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet (140) of the fuel nozzle (14), in particular with the central axis (M2) of the fuel nozzle (14), is arranged in the plane of symmetry (S1) of the oxidizer nozzle (12).

Burner head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet (140) of the fuel nozzle (14) is arranged radially closer to the outlet (120) of the oxidizer nozzle (12) than to the closed side (126).

Burner head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet (140) of the fuel nozzle (14) is arranged radially and in the circumferential direction with respect to the longitudinal axis (L) of the burner system in the region of the gap (121) of the oxidizer nozzle (12), for at least partial surroundings by the oxidizer flow during operation.

Burner head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet (140) of the fuel nozzle (14) is arranged axially set back from the outlet (120) of the oxidizer nozzle (12) for adding the fuel (122) to the oxidizer flow upstream of the combustion chamber (3).

Burner head (1) after Claim 10 , characterized in that the nozzle arrangement (10) comprises a, in particular axially aligned, mixing channel (24) which is arranged in a mixing section (248) formed between the outlet (140) of the fuel nozzle (14) and the outlet (120) of the oxidizer nozzle (12).

Burner head (1) after Claim 11 , characterized in that the mixing channel (24) comprises at least two sections (242, 244) arranged axially one behind the other, each having a different flow cross-section.

Burner head (1) after Claim 11 or 12 , characterized in that the mixing section (248) has at least one opening (246) for the inflow of oxidizer (122) from an oxidizer distribution space (136) into the fuel flow within the mixing channel upstream of the combustion chamber (3).

Burner head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the nozzle arrangement (10) has at least one mixing opening (138) in addition to the oxidizer nozzle (12), by means of which oxidizer (122) can be fed or is fed into the combustion chamber (3).

Burner head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel nozzle (14) has a tear-off edge at the axial height of the outlet (140).

Burner system with a burner head (1) according to one of the preceding claims, wherein a plurality of nozzle arrangements (10) are present which are arranged with the central axes (M1) of the oxidizer nozzles (12) on at least one imaginary circular line around the longitudinal axis (L) to form at least one nozzle ring (22).

Burner system (1) according to Claim 16 , characterized in that the burner system (1) is designed to stabilize a combustion zone (15) with a large-scale recirculation zone (14).

Burner system (1) according to Claim 16 or 17 , characterized in that there is also a pilot burner arrangement (26) arranged centrally and symmetrically on the longitudinal axis (L), around which the nozzle ring (22) is arranged.

Burner system (1) according to Claim 18 , characterized in that a pilot end wall (266) of the pilot burner arrangement (26) is arranged axially set back from the outlets (120) of the oxidizer nozzles (12) of the nozzle ring (22).