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DE102023203273A1 - Improved burner part and burner with such a burner part - Google Patents

Improved burner part and burner with such a burner part Download PDF

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Publication number
DE102023203273A1
DE102023203273A1 DE102023203273.2A DE102023203273A DE102023203273A1 DE 102023203273 A1 DE102023203273 A1 DE 102023203273A1 DE 102023203273 A DE102023203273 A DE 102023203273A DE 102023203273 A1 DE102023203273 A1 DE 102023203273A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
vortex generator
burner
main
main vortex
burner part
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023203273.2A
Other languages
German (de)
Inventor
Andreas Böttcher
Lutz Blätte
Daniel Vogtmann
Louisa Brandau
Kaspar Matthias Malecha
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority to DE102023203273.2A priority Critical patent/DE102023203273A1/en
Priority to PCT/EP2024/056901 priority patent/WO2024213340A1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennerteil (11) zur Verwendung in einem Brenner (1), das innerhalb eines Strömungskanals (2) mit einer Strömungsrichtung angeordnet ist, mit einer stromaufwärtigen Vorderkante (12) und einer stromabwärtigen Hinterkante (13), mit einer Bauteilwand (14), die sich von der Vorderkante (12) zur Hinterkante (13) und in einer Querrichtung quer zur Strömungsrichtung von einem ersten Wandende (15) zu einem gegenüberliegenden zweiten Wandende (16) erstreckt, umfassend zwei Stufen (40, 43) einer Verbrennung, wobei die zwei Stufen (40, 43) über einen gemeinsamen Hohlraum (83) versorgt werden.The invention relates to a burner part (11) for use in a burner (1), which is arranged within a flow channel (2) with a flow direction, with an upstream leading edge (12) and a downstream trailing edge (13), with a component wall (14) which extends from the leading edge (12) to the trailing edge (13) and in a transverse direction transverse to the flow direction from a first wall end (15) to an opposite second wall end (16), comprising two stages (40, 43) of combustion, wherein the two stages (40, 43) are supplied via a common cavity (83).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennerteil zur Verwendung in einem Brenner.The invention relates to a burner part for use in a burner.

In den neueren Versionen von Gasturbinen wird eine höhere Turbineneinlasstemperatur und höhere Temperaturen in der Verbrennungszone (TiTiso; TPZ) und ein steigender Massenstrom bei gleichzeitig niedrigen NOx Emissionen erreicht. Hierzu wurde ein geändertes und verbessertes Brennerteil für den Hauptbrenner entwickelt und erfolgreich getestet und eingesetzt.In the newer versions of gas turbines, a higher turbine inlet temperature and higher temperatures in the combustion zone (TiTiso; TPZ) and an increasing mass flow are achieved with low NOx emissions at the same time. For this purpose, a modified and improved burner part for the main burner was developed and successfully tested and used.

Um mit bereits im Einsatz stehenden Maschinen wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen diese Vorgaben ebenfalls erreicht werden.In order to remain competitive with machines already in use, these requirements must also be met.

Jedoch ist dieser neue Brennertyp nur in einer vierstufigen Variante verfügbar, was in Servicemaschinen auf Grund mit einer 2 Stufen Variante („Pilot“ und „Mainburner“) nicht wirtschaftlich einsetzbar /ersetzbar ist.However, this new burner type is only available in a four-stage variant, which cannot be used/replaced economically in service machines due to a two-stage variant (“pilot” and “main burner”).

Für eine günstige Verbrennung mit dem Ziel, Schadstoffe weitestgehend zu vermeiden, ist es unerlässlich, dass vor der Verbrennung des Brennstoffs eine homogene Vermischung des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft stattfindet. Um dies zu erreichen, werden im Stand der Technik verschiedene Lösungen eingesetzt. In vielen Fällen basieren diese auf der Erzeugung einer Turbulenz zwischen der Verbrennungsluft und dem Brennstoff. Obwohl Turbulenzen zu Widerständen in der Strömung führen, ist es in der Regel nicht möglich, die gewünschte weitgehend schadstofffreie Verbrennung ohne Turbulenzen zu erreichen. Um die Verbrennungsluft mit dem Brennstoff zu vermischen, werden in der Regel Strömungselemente im Strömungsweg angeordnet, die die Strömung umlenken und Verwirbelungen erzeugen. In vielen Fällen werden dazu schaufelartige Strukturen verwendet. Weiterhin ist es bekannt, auf der Oberfläche entlang des Strömungsweges Störkonturen anzuordnen, die eine Verwirbelung der Verbrennungsluft bewirken. So ist es beispielsweise bekannt, an der Wand eines Strömungskanals sogenannte Wirbelgeneratoren anzuordnen, die entsprechend in den Strömungskanal hineinragen.For favorable combustion with the aim of avoiding pollutants as far as possible, it is essential that the fuel is homogeneously mixed with the combustion air before the fuel is burned. To achieve this, various solutions are used in the state of the art. In many cases, these are based on the generation of turbulence between the combustion air and the fuel. Although turbulence leads to resistance in the flow, it is usually not possible to achieve the desired largely pollutant-free combustion without turbulence. In order to mix the combustion air with the fuel, flow elements are usually arranged in the flow path that deflect the flow and create turbulence. In many cases, blade-like structures are used for this purpose. It is also known to arrange disruptive contours on the surface along the flow path that cause turbulence in the combustion air. For example, it is known to arrange so-called vortex generators on the wall of a flow channel that protrude into the flow channel.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verringerte NOx Emissionen in bestehenden Anlagen zu erreichen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Brennerteil so zu verbessern, um eine Reduzierung der NOx Emissionen zu erzielen.It is therefore the object of the present invention to achieve reduced NOx emissions in existing plants. The object of the invention is therefore to improve the burner part in order to achieve a reduction in NOx emissions.

Die Aufgabe wird durch ein Brennerteil gemäß der Lehre des Anspruchs 1 und einem Brenner gemäß Anspruch 13 gelöst.The object is achieved by a burner part according to the teaching of claim 1 and a burner according to claim 13.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments are the subject of the subclaims.

Die Unteransprüche können beliebig miteinander kombiniert werden, um weitere Vorteile zu erzielen.The subclaims can be combined as desired to achieve further advantages.

In den folgenden Figuren werden Beispiele für ein erfindungsgemäße Brennerteile und deren Verwendung in einem Brenner gezeigt.The following figures show examples of burner parts according to the invention and their use in a burner.

Es zeigen

  • 1, 10 jeweils skizzenhaft einen Teil eines beispielhaften Brenners mit erfindungsgemäße Brennerteilen,
  • 2 bis 5 Brennerteile nach dem Stand der Technik,
  • 4 einen Schnitt von 1 für einen 4-stufigen Brenner,
  • 5 einen Schnitt von 1 für einen 2-stufigen Brenner,
  • 6, 11 erfindungsgemäße Brennerteile und
  • 7 eine Schnittdarstellung von 6,
  • 8, 9 Anordnungen einer Blende,
  • 12, 13 zeigen in einer perspektivischen Ansicht eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennerteils,
  • 14 skizziert im Detail einen Wirbelgenerator mit einer Brennstoffdüse.
It shows
  • 1 , 10 each sketch a part of an exemplary burner with burner parts according to the invention,
  • 2 to 5 Burner parts according to the state of the art,
  • 4 a cut of 1 for a 4-stage burner,
  • 5 a cut of 1 for a 2-stage burner,
  • 6 , 11 burner parts according to the invention and
  • 7 a cross-sectional view of 6 ,
  • 8 , 9 Arrangements of a diaphragm,
  • 12 , 13 show in a perspective view an exemplary embodiment of the burner part according to the invention,
  • 14 outlines in detail a vortex generator with a fuel nozzle.

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.The figures and the description represent only embodiments of the invention.

In 1 ist schematisch ein Teil eines Brenners 1 mit einem erfindungsgemäßen Brennerteil 11 skizziert. Die Erfindung ergibt sich aber größtenteils erst aus dem Inneren des Brennerteils 11. Daher entspricht dies auch einer Anordnung nach dem Stand der TechnikIn 1 a part of a burner 1 with a burner part 11 according to the invention is schematically sketched. However, the invention is largely only apparent from the interior of the burner part 11. Therefore, this also corresponds to an arrangement according to the prior art

In 10 ist ein Teil eines Brenners 1' einer weiteren Ausführungsform des Brennerteils 11' mit Wirbelgeneratoren 17 skizziert.In 10 a part of a burner 1' of a further embodiment of the burner part 11' with vortex generators 17 is outlined.

Die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brenner 1, 1' umfassen jeweils einen Hauptbrenner 3, der einen Zündbrenner 6 ringförmig umgibt.The embodiments of the burners 1, 1' according to the invention each comprise a main burner 3 which surrounds an ignition burner 6 in a ring shape.

Der Hauptbrenner 3 weist einen ringförmigen Strömungskanal 2 auf, der durch eine innere Kanalwand 4 des Zündbrenners 6 und eine äußere Kanalwand 5 begrenzt ist.The main burner 3 has an annular flow channel 2 which is delimited by an inner channel wall 4 of the ignition burner 6 and an outer channel wall 5.

Innerhalb des Strömungskanals 2 sind mehrere erfindungsgemäße Brennerteile 11 (2), 11' (10) in Umfangsrichtung verteilt angeordnet.Within the flow channel 2, several burner parts 11 according to the invention ( 2 ), 11' ( 10 ) are arranged distributed in the circumferential direction.

In den 2, 3, 4, 5 sind Brennerteile 9, 9' aus dem Stand der Technik näher dargestellt.In the 2 , 3 , 4 , 5 Burner parts 9, 9' from the prior art are shown in more detail.

Die Brennerteile 9, 9' als auch die die erfindungsgemäßen Brennerteile 11, 11' weisen im Wesentlichen die Form eines Schaufelblatts einer Turbinenschaufel auf.The burner parts 9, 9' as well as the burner parts 11, 11' according to the invention essentially have the shape of an airfoil of a turbine blade.

Die Brennerteile 9, 9', 11, 11' weisen eine Vorderkante 12, eine Hinterkante 13 und eine Bauteilwand 14 auf.The burner parts 9, 9', 11, 11' have a front edge 12, a rear edge 13 and a component wall 14.

Auf den jeweiligen Bauteilwänden 14 sind Brennstoffdüsen 19 angeordnet, aus denen der Brennstoff strömt.Fuel nozzles 19 from which the fuel flows are arranged on the respective component walls 14.

Das vierstufige Brennerteil 9 in 2 hat einen A-Zugang 30 für Brennstoff für die Stufe A einer Verbrennung und einen B-Zugang 33 für die Stufe B einer Verbrennung.The four-stage burner part 9 in 2 has an A-inlet 30 for fuel for stage A of combustion and a B-inlet 33 for stage B of combustion.

Das zweistufige Brennerteil 9' in 3 hat nur den A-Zugang 41.The two-stage burner part 9' in 3 only has the A access 41.

In 4 ist das Brennerteil 9 querschnittsmäßig im eingebauten Zustand zu sehen.In 4 the burner part 9 can be seen in cross-section in the installed state.

Zu erkennen sind die zwei vorgelagerten Hohlräume (Speisekanal für Brennstoff) 32, 35 für einen A-Zugang 30 (32) bzw. einen B-Zugang 33 (35), die den Brennstoff für die Stufe A und die Stufe B zu führen.The two upstream cavities (fuel feed channel) 32, 35 for an A-access 30 (32) and a B-access 33 (35) respectively, which carry the fuel for stage A and stage B, can be seen.

Jede Stufe hat seinen eigenen Zugang.Each level has its own access.

Die entsprechenden Löcher oder Düsen, aus denen der Brennstoff in den Kanal 2 austritt, sind hier nicht näher dargestellt, sind aber den anderen Figuren zu erkennen (dies gilt für alle Zeichnungen).The corresponding holes or nozzles through which the fuel exits into channel 2 are not shown in detail here, but can be seen in the other figures (this applies to all drawings).

Außerdem gibt es noch einen Zugang 36 für einen Ölbrenner.There is also an access 36 for an oil burner.

In 5 ist das Brennerteil 9' für einen zweistufigen Brenner gemäß 3 querschnittsmäßig dargestellt, das aber nur einen vorgelagerten Hohlraum 42 und nur einen Zugang 41 aufweist.In 5 The burner part 9' is for a two-stage burner according to 3 shown in cross-section, but which has only one upstream cavity 42 and only one access 41.

Ein erfindungsgemäßes Brennerteil ist in 6 (Brennerteil 11), 7 (im Querschnitt für Brennerteile 11, 11') dargestellt. Das Brennerteil 11, 11' weist neben einer Stufe A 40 ebenfalls eine Stufe B 43 auf, die aber über einen einzigen, gemeinsamen, vorgelagerten Hohlraum 83 und einen einzigen Zugang 81 versorgt werden (7).A burner part according to the invention is 6 (burner part 11), 7 (in cross-section for burner parts 11, 11'). The burner part 11, 11' has a stage A 40 and a stage B 43, which are supplied via a single, common, upstream cavity 83 and a single access 81 ( 7 ).

Im erfindungsgemäßen Brennerteil 11, 11' haben die Brennstoffstufen (A + B) gemäß einer vierstufigen Variante den gleichen Speisekanal oder Hohlraum 83 (7).In the burner part 11, 11' according to the invention, the fuel stages (A + B) have the same feed channel or cavity 83 ( 7 ).

Die Stufe B 43 gemäß 7 weist denselben Massenstrom und dieselbe Eindringtiefe wie im 4-stufigen Design (4) auf.Level B 43 according to 7 has the same mass flow and penetration depth as the 4-stage design ( 4 ) on.

Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine Möglichkeit ist die Verwendung einer zusätzlichen Blende 50 im Bereich der Stufe B 43, die diese Eigenschaften ermöglicht.There are various ways to achieve this. One option is to use an additional aperture of 50 in the area of stop B 43, which enables these properties.

9 zeigt die Blende 50 in vergrößerter Darstellung. Vorzugsweise wird die Blende 50 in eine ringförmige Vertiefung 53 (8) am Anfang der Stufe B 43 eingebracht ( 9). 9 shows the aperture 50 in an enlarged view. Preferably, the aperture 50 is inserted into an annular recess 53 ( 8 ) at the beginning of level B 43 ( 9 ).

Die Blende 50 steuert den Brennstoff bzgl. Massenstrom und Eindringtiefe ohne Ventile und ohne separaten Hohlraum.The orifice 50 controls the fuel in terms of mass flow and penetration depth without valves and without a separate cavity.

Über unterschiedliche Blenden können verschiedene Massenströme der B-Stufe eingestellt werden.Different mass flows of the B-stage can be set using different orifices.

Brennerteile 9' in zweistufiger Variante gemäß 5 können auch in die erfindungsgemäße Variante umgearbeitet werden.Burner parts 9' in two-stage variant according to 5 can also be converted into the variant according to the invention.

Das Brennerteil der vorliegenden Art ist als Bestandteil eines Brenners vorgesehen. Die Art des Brenners 1, 1' ist zunächst unerheblich, jedoch wird das Brennerteil vorteilhaft in einem Brenner einer Gasturbine eingesetzt. Dabei ist es naheliegend, dass der Brenner auf der stromaufwärtigen Seite einer Brennkammer angeordnet werden soll. In diesem Fall weist der Brenner einen Strömungskanal auf, in dem Verbrennungsluft in einer Strömungsrichtung von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite strömt. Die Strömungsrichtung der Verbrennungsluft definiert eine Strömungsrichtung. Das Brennerteil ist bewusst innerhalb des Strömungskanals des Brenners angeordnet, so dass auch hier die Strömungsrichtung, die Anströmseite und die Abströmseite gilt. Als nächstes wird eine Querrichtung als Richtung quer zur Strömungsrichtung definiert.The burner part of the present type is intended as a component of a burner. The type of burner 1, 1' is initially unimportant, but the burner part is advantageously used in a burner of a gas turbine. It is obvious that the burner should be arranged on the upstream side of a combustion chamber. In this case, the burner has a flow channel in which combustion air flows in a flow direction from the upstream side to the downstream side. The flow direction of the combustion air defines a flow direction. The burner part is deliberately arranged within the flow channel of the burner, so that the flow direction, the inflow side and the outflow side also apply here. Next, a transverse direction is defined as a direction transverse to the flow direction.

Bei der Anordnung des Brennerteils im Strömungskanal hat es auf der stromaufwärts gelegenen Seite eine Vorderkante und auf der stromabwärts gelegenen Seite eine Hinterkante. Die Vorderkante und die Hinterkante sind jeweils am Ende des Brennerteils gemeint. Das Brennerteil umfasst ferner eine Bauteilwand, die sich in Strömungsrichtung von der Vorderkante zur Hinterkante erstreckt. Die Bauteilwand erstreckt sich weiter in der Querrichtung von einem ersten Wandende zu einem gegenüberliegenden zweiten Wandende. Bei der Anordnung im Strömungskanal strömt die Verbrennungsluft entlang der Bauteilwand.When the burner part is arranged in the flow channel, it has a leading edge on the upstream side and a trailing edge on the downstream side. The leading edge and the trailing edge are each meant at the end of the burner part. The burner part further comprises a component wall which extends in the flow direction from the leading edge to the trailing edge. The component wall extends further in the transverse direction from a first wall end to an opposite the second wall end. When arranged in the flow channel, the combustion air flows along the component wall.

Zur Verbesserung der Durchmischung des Brennstoffs in der Verbrennungsluft sind an der in den Strömungskanal hineinragenden Bauteilwand mehrere Wirbelgeneratoren angeordnet. Dabei sind die Wirbelerzeuger (im Sinne der Erfindung, unabhängig davon, ob weitere an anderer Stelle vorhanden sind) nahe der Vorderkante und in Querrichtung voneinander beabstandet angeordnet. Eine Position nahe der Vorderkante wird angenommen, wenn der jeweilige Wirbelgenerator innerhalb eines Kantenabschnitts von 20% des Abstands von der Vorderkante zur Hinterkante an der gleichen Querposition angeordnet ist.To improve the mixing of the fuel in the combustion air, several vortex generators are arranged on the component wall that protrudes into the flow channel. The vortex generators (in the sense of the invention, regardless of whether others are present elsewhere) are arranged close to the front edge and spaced apart from one another in the transverse direction. A position close to the front edge is assumed if the respective vortex generator is arranged at the same transverse position within an edge section of 20% of the distance from the front edge to the rear edge.

Anschließend sind die Wirbelgeneratoren in eine Gruppe von Hauptwirbelgeneratoren und einen Zusatzwirbelgenerator zu unterteilen. Dabei ist ein erster Hauptwirbelgenerator als einer der Hauptwirbelgeneratoren an der dem ersten Wandende zugewandten Seite angeordnet. Ein zweiter Hauptwirbelerzeuger ist neben dem ersten Wirbelerzeuger angeordnet.The vortex generators are then divided into a group of main vortex generators and an additional vortex generator. A first main vortex generator is arranged as one of the main vortex generators on the side facing the first wall end. A second main vortex generator is arranged next to the first vortex generator.

Die Brennerkomponente umfasst ferner eine Anzahl von Brennstoffdüsen. Dabei sind die Brennstoffdüsen (im Sinne der Erfindung, unabhängig davon, ob weitere an anderer Stelle vorhanden sind) jeweils stromabwärts eines Hauptwirbelerzeugers angeordnet. Das heißt, es gibt immer die Anordnung eines Hauptwirbelgenerators neben der Vorderkante zusammen mit einer Brennstoffdüse stromabwärts des jeweiligen Hauptwirbelgenerators.The burner component further comprises a number of fuel nozzles. The fuel nozzles (in the sense of the invention, regardless of whether others are present elsewhere) are each arranged downstream of a main vortex generator. This means that there is always the arrangement of a main vortex generator next to the leading edge together with a fuel nozzle downstream of the respective main vortex generator.

Auch wenn die Anordnung einer Kraftstoffdüse stromabwärts eines Wirbelgenerators an sich vorteilhaft ist, hat sich gezeigt, dass mit einem zusätzlichen Wirbelgenerator ohne Kraftstoffdüse eine weitere Verbesserung der Durchmischung erreicht werden kann. Der Zusatzwirbelgenerator befindet sich dabei zwischen dem ersten Wandende und dem ersten Hauptwirbelgenerator. Ist der Zusatzwirbelgenerator zu groß dimensioniert, wird die Verbesserung durch den Zusatzwirbelgenerator zum Nachteil für die Vermischung des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft. Daher muss die Höhe des Zusatzwirbelgenerators über der Bauteilwand geringer sein als die Höhe des benachbarten ersten Hauptwirbelgenerators.Even if the arrangement of a fuel nozzle downstream of a vortex generator is advantageous in itself, it has been shown that a further improvement in mixing can be achieved with an additional vortex generator without a fuel nozzle. The additional vortex generator is located between the first wall end and the first main vortex generator. If the additional vortex generator is too large, the improvement provided by the additional vortex generator becomes a disadvantage for the mixing of the fuel with the combustion air. Therefore, the height of the additional vortex generator above the component wall must be lower than the height of the adjacent first main vortex generator.

Die Wirbelerzeuger können unterschiedlich geformt sein, wobei es vorteilhaft ist, eine dreieckige Form zu wählen, mit einer vorlaufenden Kurve an der Verbrennungswand auf der stromaufwärtigen Seite und einer nachlaufenden Kurve quer zur Verbrennungswand auf der stromabwärtigen Seite. Dabei nimmt die Höhe der Wirbelgeneratoren von der Anströmseite zur Abströmseite hin zu.The vortex generators can have different shapes, but it is advantageous to choose a triangular shape with a leading curve on the combustion wall on the upstream side and a trailing curve across the combustion wall on the downstream side. The height of the vortex generators increases from the inflow side to the outflow side.

Dies führt vorteilhaft dazu, dass sich die Oberseite der Wirbelgeneratoren von der vorderen Kurve bis zum freien Ende der hinteren Kurve erstreckt. Die Höhe des Wirbelgenerators ist somit durch den Abstand von der Bauteilwand bis zum freien Ende der Schleppkurve definiert. Gemäß der dreieckigen Bauform weist der Wirbelgenerator vorteilhaft zwei weitere gegenüberliegende Seitenflächen auf, die sich jeweils von der Schleppkurve zu einem der beiden Enden der Leitkurve erstrecken.This advantageously means that the top of the vortex generators extends from the front curve to the free end of the rear curve. The height of the vortex generator is thus defined by the distance from the component wall to the free end of the drag curve. In accordance with the triangular design, the vortex generator advantageously has two additional opposite side surfaces, each of which extends from the drag curve to one of the two ends of the guide curve.

Hinsichtlich der Position der Wirbelgeneratoren (Hauptwirbelgenerator und Zusatzwirbelgenerator) nahe der Vorderkante ist es weiterhin vorteilhaft, diese in gleicher Position zur Strömungsrichtung anzuordnen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Hinterkante der Wirbelgeneratoren jeweils den gleichen Abstand zur Vorderkante hat (was angenommen wird, wenn die Abstände in einem Bereich von +/-10% liegen).With regard to the position of the vortex generators (main vortex generator and additional vortex generator) near the leading edge, it is also advantageous to arrange them in the same position to the flow direction. It is particularly advantageous if the trailing edge of the vortex generators is the same distance from the leading edge (which is assumed if the distances are within a range of +/-10%).

Hinsichtlich der Anordnung der Wirbelgeneratoren ist es weiterhin von Vorteil, sie nahe oder an der Vorderkante anzuordnen. Bei gegebener unterschiedlicher Größe der Wirbelerzeuger und deren bevorzugter Anordnung mit der Schleppkurve an gleicher Position in Strömungsrichtung ist es offensichtlich, dass der größte Hauptwirbelerzeuger vorteilhaft so angeordnet ist, dass der Abstand von der Vorderkante zu mindestens einer Vorderkurve weniger als 10% des Abstandes von der Vorderkante zur jeweiligen Schleppkurve des größten Hauptwirbelerzeugers beträgt.With regard to the arrangement of the vortex generators, it is also advantageous to arrange them close to or at the leading edge. Given the different sizes of the vortex generators and their preferred arrangement with the trailing curve at the same position in the flow direction, it is obvious that the largest main vortex generator is advantageously arranged such that the distance from the leading edge to at least one leading curve is less than 10% of the distance from the leading edge to the respective trailing curve of the largest main vortex generator.

In Abhängigkeit von der Größe des Brennerteils, insbesondere der Breite in Querrichtung vom ersten Wandende zum zweiten Wandende, ist es vorteilhaft, mindestens drei und höchstens sechs Hauptwirbelerzeuger mit jeweils einer Brennstoffdüse anzuordnen, die stromabwärts der jeweiligen Hauptwirbelgenerator. Dabei ist es besonders vorteilhaft, vier oder fünf Hauptwirbelerzeuger zu verwenden. So ist neben dem zweiten Wirbelerzeuger auf der dem zweiten Wandende zugewandten Seite ein dritter Wirbelerzeuger und neben dem dritten Wirbelerzeuger auf der dem zweiten Wandende zugewandten Seite ein vierter Wirbelerzeuger angeordnet. Gegebenenfalls ist neben dem vierten Wirbelerzeuger auf der dem zweiten Wandende zugewandten Seite ein fünfter Wirbelerzeuger angeordnet.Depending on the size of the burner part, in particular the width in the transverse direction from the first wall end to the second wall end, it is advantageous to arrange at least three and at most six main vortex generators, each with a fuel nozzle, downstream of the respective main vortex generator. It is particularly advantageous to use four or five main vortex generators. For example, a third vortex generator is arranged next to the second vortex generator on the side facing the second wall end, and a fourth vortex generator is arranged next to the third vortex generator on the side facing the second wall end. If necessary, a fifth vortex generator is arranged next to the fourth vortex generator on the side facing the second wall end.

Bei Verwendung eines dritten und insbesondere eines vierten Hauptwirbelerzeugers ist es vorteilhaft, die Größe ausgehend vom ersten Hauptwirbelerzeuger über den zweiten Hauptwirbelerzeuger weiter zu erhöhen, so dass der dritte Hauptwirbelerzeuger größer ist als der zweite Hauptwirbelerzeuger und der vierte Hauptwirbelerzeuger größer ist als der dritte Hauptwirbelerzeuger.When using a third and especially a fourth main vortex generator, it is advantageous to further increase the size starting from the first main vortex generator via the second main vortex generator, so that the third main vortex generator generator is larger than the second main vortex generator and the fourth main vortex generator is larger than the third main vortex generator.

Hinsichtlich der weiteren konkreten Position des Zusatzwirbelgenerators ohne Brennstoffdüse ist es vorteilhaft, diesen in der Mitte zwischen dem ersten Wandende und dem ersten Hauptwirbelgenerator anzuordnen. Dies wird als gegeben angenommen, wenn die Position innerhalb einer Toleranz von 15% des Abstandes vom ersten Wandende zum ersten Hauptwirbelgenerator liegt.With regard to the further specific position of the additional vortex generator without fuel nozzle, it is advantageous to arrange it in the middle between the first wall end and the first main vortex generator. This is assumed to be given if the position is within a tolerance of 15% of the distance from the first wall end to the first main vortex generator.

Es ist zu beachten, dass für die Position eines Wirbelgenerators in Querrichtung die Mittel- oder Schleppkurve des Wirbelgenerators betrachtet wird.It should be noted that for the position of a vortex generator in the transverse direction, the mean or drag curve of the vortex generator is considered.

Bei dieser Anordnung des Zusatzwirbelgenerators in der Hälfte des Abstandes vom ersten Wandende zum ersten Hauptwirbelgenerator ist es weiterhin vorteilhaft, den ersten Hauptwirbelgenerator in der Hälfte des Abstandes vom ersten Wandende zum zweiten Hauptwirbelgenerator anzuordnen. Auch hier wird davon ausgegangen, dass die bevorzugte Position gegeben ist, wenn der erste Hauptwirbelerzeuger in der Mitte zwischen dem ersten Wandende und dem zweiten Hauptwirbelerzeuger mit einer Toleranz von 15% des Abstandes vom ersten Wandende zum zweiten Hauptwirbelerzeuger angeordnet ist.With this arrangement of the additional vortex generator at half the distance from the first wall end to the first main vortex generator, it is also advantageous to arrange the first main vortex generator at half the distance from the first wall end to the second main vortex generator. Here too, it is assumed that the preferred position is when the first main vortex generator is arranged in the middle between the first wall end and the second main vortex generator with a tolerance of 15% of the distance from the first wall end to the second main vortex generator.

Da die Wirkung bei dieser Anordnung des Zusatzwirbelgenerators bei jedem weiteren Hauptwirbelgenerator abnimmt, ist es bevorzugt, den bevorzugten dritten Hauptwirbelgenerator in einem Abstand zum zweiten Hauptwirbelgenerator anzuordnen, der mindestens das 1,2-fache und höchstens das 1,5-fache des Abstands zwischen dem zweiten Hauptwirbelgenerator und dem ersten Hauptwirbelgenerator beträgt.Since the effect of this arrangement of the additional vortex generator decreases with each additional main vortex generator, it is preferred to arrange the preferred third main vortex generator at a distance from the second main vortex generator that is at least 1.2 times and at most 1.5 times the distance between the second main vortex generator and the first main vortex generator.

Bei den Brennstoffdüsen ist es vorteilhaft, sie in der Nähe der jeweiligen Hauptwirbelgeneratoren anzuordnen. Daher sollte der Abstand zwischen dem Wirbelgenerator und der jeweiligen Brennstoffdüse weniger als die Hälfte der Länge des Wirbelgenerators betragen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Abstand vom jeweiligen Hauptwirbelgenerator zur Mitte der Brennstoffdüse kleiner ist als die Hälfte des Abstandes zwischen der vorderen Kurve und der hinteren Kurve des jeweiligen Hauptwirbelgenerators.For the fuel nozzles, it is advantageous to arrange them close to the respective main vortex generators. Therefore, the distance between the vortex generator and the respective fuel nozzle should be less than half the length of the vortex generator. In particular, it is preferred that the distance from the respective main vortex generator to the center of the fuel nozzle is less than half the distance between the front curve and the rear curve of the respective main vortex generator.

Das bewusst in einem Strömungskanal angeordnete Brennerteil könnte auch anders gestaltet werden (außer der Bauteilwand mit den Wirbelgeneratoren und den Brennstoffdüsen). Es ist jedoch vorteilhaft, das Brennerteil in Form einer Schaufel auszuführen. Dies ermöglicht die widerstandsarme Führung des Verbrennungsluftstroms.The burner part, which is deliberately arranged in a flow channel, could also be designed differently (except for the component wall with the vortex generators and the fuel nozzles). However, it is advantageous to design the burner part in the form of a blade. This enables the combustion air flow to be guided with little resistance.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners hat eine zentrale Brennerachse und einen ringförmigen Strömungskanal, der sich von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite erstreckt. Der Strömungskanal wird an der radialen Innenseite durch eine innere Strömungskanalwand und an der radialen Außenseite durch eine äußere Strömungskanalwand begrenzt. Innerhalb des Strömungskanals sind dabei mehrere Brennerkomponenten gemäß der vorangegangenen Beschreibung angeordnet. Das erste Wandende der Brennerteile ist an der inneren Strömungskanalwand und das zweite Wandende des Brennerteils ist an der äußeren Strömungskanalwand befestigt.A preferred embodiment of the burner according to the invention has a central burner axis and an annular flow channel which extends from an upstream side to a downstream side. The flow channel is delimited on the radial inside by an inner flow channel wall and on the radial outside by an outer flow channel wall. Several burner components are arranged within the flow channel in accordance with the previous description. The first wall end of the burner parts is attached to the inner flow channel wall and the second wall end of the burner part is attached to the outer flow channel wall.

Natürlich ist es möglich, das Brennerteil als separates Teil zu realisieren, das z.B. zwischen der inneren Kanalwand und der äußeren Kanalwand montiert ist. Andererseits ist es möglich, den Brenner mit der inneren Kanalwand und der äußeren Kanalwand und den Brennerteilen integral zu bauen, z.B. durch additive Fertigung. Weitere Fertigungsmöglichkeiten sind natürlich möglich, um das Brennerteil mit der inneren Kanalwand und der äußeren Kanalwand zu kombinieren.Of course, it is possible to realize the burner part as a separate part, e.g. mounted between the inner channel wall and the outer channel wall. On the other hand, it is possible to build the burner with the inner channel wall and the outer channel wall and the burner parts integrally, e.g. by additive manufacturing. Other manufacturing options are of course possible to combine the burner part with the inner channel wall and the outer channel wall.

Wie in 11 zu erkennen ist, hat das Brennerteil 11' die Form eines Flügels mit einer Bauteilwand 14, die sich von einer Vorderkante 12 des Brennerteils zu einer Hinterkante 13 des Brennerteils erstreckt. Die Bauteilwand wird ferner durch ein erstes Seitenende 15 und ein gegenüberliegendes zweites Seitenende 16 begrenzt. Die Richtung von der Vorderkante an einer stromaufwärtigen Seite zur Hinterkante 13 an der stromabwärtigen Seite definiert eine Strömungsrichtung. Quer zur Strömungsrichtung ist eine Querrichtung von dem ersten Seitenende 15 zu dem zweiten Seitenende 16 definiert.As in 11 As can be seen, the burner part 11' has the shape of a wing with a component wall 14 which extends from a front edge 12 of the burner part to a rear edge 13 of the burner part. The component wall is further delimited by a first side end 15 and an opposite second side end 16. The direction from the front edge on an upstream side to the rear edge 13 on the downstream side defines a flow direction. A transverse direction from the first side end 15 to the second side end 16 is defined transversely to the flow direction.

Wie in den 11 zu sehen ist, sind nahe der Vorderkante 12 eine Reihe von Wirbelgeneratoren 17 angeordnet.As in the 11 As can be seen, a series of vortex generators 17 are arranged near the leading edge 12.

Zu den 12, 13: Hier gibt es vier Hauptwirbelerzeuger 17a, 17b, 17c und 17d. Ihre Größe und Höhe nimmt von einem ersten Hauptwirbelgenerator 17a an der dem ersten Wandende 15 zugewandten Seite über den zweiten Hauptwirbelgenerator 17b bis zum dritten Hauptwirbelgenerator 17c zu. Der vierte Hauptwirbelerzeuger 17d hat gegenüber dem Wechsel vom ersten Hauptwirbelerzeuger 17a zum dritten Hauptwirbelerzeuger 17c eine verringerte Größe. In dieser Ausführungsform sind die Wirbelgeneratoren 17, 18 mit ihrem stromabwärtigen Ende an der gleichen Position in Strömungsrichtung angeordnet. Dies hat zur Folge, dass der dritte Hauptwirbelgenerator 17c als größter mit seinem stromaufwärtigen Ende sehr nahe an der Vorderkante 12 angeordnet ist, wodurch sich der Abstand zur Vorderkante 12 zum ersten Hauptwirbelgenerator 17a (und auch zum vierten Hauptwirbelgenerator 17d mit reduzierter Größe) erhöht.To the 12 , 13 : Here there are four main vortex generators 17a, 17b, 17c and 17d. Their size and height increases from a first main vortex generator 17a on the side facing the first wall end 15 via the second main vortex generator 17b to the third main vortex generator 17c. The fourth main vortex generator 17d has a reduced size compared to the change from the first main vortex generator 17a to the third main vortex generator 17c. In this embodiment, the vortex generators 17, 18 are arranged with their downstream end at the same position in the flow direction. This means that the third Main vortex generator 17c, as the largest, is arranged with its upstream end very close to the leading edge 12, thereby increasing the distance to the leading edge 12 to the first main vortex generator 17a (and also to the fourth main vortex generator 17d with reduced size).

Die Hauptwirbelgeneratoren 17 sind dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts von ihnen an jedem Hauptwirbelgenerator 17a-17d jeweils eine Kraftstoffdüse 19a-19d angeordnet ist. Wie man sieht, ist der Abstand von den Brennstoffdüsen 19 zum jeweiligen Hauptwirbelgenerator 17 wesentlich geringer als die Größe der Wirbelgeneratoren 17.The main vortex generators 17 are characterized in that a fuel nozzle 19a-19d is arranged downstream of them on each main vortex generator 17a-17d. As can be seen, the distance from the fuel nozzles 19 to the respective main vortex generator 17 is significantly smaller than the size of the vortex generators 17.

Die verbesserte Durchmischung wird durch den zusätzlichen Wirbelgenerator 18 erreicht, der zwischen dem ersten Hauptwirbelgenerator 17a und dem ersten Wandende 15 angeordnet ist. Im Gegensatz zu den Hauptwirbelgeneratoren 17 ist am Zusatzwirbelgenerator 18 keine Kraftstoffdüse angeordnet. Weiterhin ist die Größe des Zusatzwirbelgenerators 18 gegenüber dem ersten Hauptwirbelgenerator 17a reduziert.The improved mixing is achieved by the additional vortex generator 18, which is arranged between the first main vortex generator 17a and the first wall end 15. In contrast to the main vortex generators 17, no fuel nozzle is arranged on the additional vortex generator 18. Furthermore, the size of the additional vortex generator 18 is reduced compared to the first main vortex generator 17a.

In 14 ist eine Detailansicht eines an der Bauteilwand 14 angeordneten Hauptwirbelgenerators 17 skizziert. Wie zu erkennen ist, hat der Hauptwirbelgenerator 17 eine Dreiecksform mit einer vorlaufenden Kurve 22 als Übergang von einer Oberseite 24 des Hauptwirbelgenerators 17 zur Bauteilwand 14 und einer nachlaufenden Kurve 23, die quer zur Bauteilwand verläuft und damit die Höhe des Hauptwirbelgenerators 17 definiert. Dies führt zu zwei gegenüberliegenden Seitenwänden 25, die sich von der Schleppkurve 23 zu einem der beiden gegenüberliegenden Enden der Leitkurve 22 erstrecken. Stromabwärts des Hauptwirbelgenerators 17 ist eine Kraftstoffdüse 19 angeordnet.In 14 a detailed view of a main vortex generator 17 arranged on the component wall 14 is sketched. As can be seen, the main vortex generator 17 has a triangular shape with a leading curve 22 as a transition from an upper side 24 of the main vortex generator 17 to the component wall 14 and a trailing curve 23 that runs transversely to the component wall and thus defines the height of the main vortex generator 17. This leads to two opposite side walls 25 that extend from the trailing curve 23 to one of the two opposite ends of the guide curve 22. A fuel nozzle 19 is arranged downstream of the main vortex generator 17.

Claims (13)

Brennerteil (11, 11') zur Verwendung in einem Brenner (1, 1'), insbesondere für eine Gasturbine, das innerhalb eines Strömungskanals (2) mit einer Strömungsrichtung angeordnet ist, mit einer stromaufwärtigen Vorderkante (12) und einer stromabwärtigen Hinterkante (13), mit einer Bauteilwand (14), die sich von der Vorderkante (12) zur Hinterkante (13) und in einer Querrichtung quer zur Strömungsrichtung von einem ersten Wandende (15) zu einem gegenüberliegenden zweiten Wandende (16) erstreckt, umfassend zwei Stufen (40, 43) einer Verbrennung, wobei die zwei Stufen A, B (40, 43) über einen gemeinsamen Hohlraum (83) versorgt werden.Burner part (11, 11') for use in a burner (1, 1'), in particular for a gas turbine, which is arranged within a flow channel (2) with a flow direction, with an upstream leading edge (12) and a downstream trailing edge (13), with a component wall (14) which extends from the leading edge (12) to the trailing edge (13) and in a transverse direction transverse to the flow direction from a first wall end (15) to an opposite second wall end (16), comprising two stages (40, 43) of combustion, wherein the two stages A, B (40, 43) are supplied via a common cavity (83). Brennerteil nach Anspruch 1, bei dem die Stufe B (43) eingangs mit einer Blende (50) versehen ist.burner part after claim 1 , in which the stage B (43) is provided at the beginning with an aperture (50). Brennerteil nach Anspruch 2, bei dem die Blende (50) in einer Vertiefung (53) am Anfang der zweiten Stufe (43) angeordnet ist.burner part after claim 2 , in which the aperture (50) is arranged in a recess (53) at the beginning of the second stage (43). Brennerteil (11') nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem Wirbelgeneratoren (17, 18), die an der Bauteilwand (14) nahe der Vorderkante (12) in Querrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind und in den Strömungskanal (02) hineinragen, mit einem ersten Hauptwirbelgenerator (17a) auf der dem ersten Wandende (15) zugewandten Seite und einem zweiten Hauptwirbelgenerator (17b) neben dem ersten Hauptwirbelgenerator (17a) und einem Zusatzwirbelgenerator (18); und - Brennstoffdüsen (19), die jeweils stromabwärts eines Hauptwirbelgenerators (17) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwirbelgenerator (18) zwischen dem ersten Hauptwirbelgenerator (17a) und dem ersten Wandende (15) angeordnet ist und eine Höhe über der Bauteilwand (14) aufweist, die geringer ist als die Höhe des ersten Hauptwirbelgenerators (17a) und ohne eine jeweilige Brennstoffdüse ist.Burner part (11') according to one or more of the Claims 1 , 2 or 3 , in which vortex generators (17, 18) which are arranged on the component wall (14) near the front edge (12) at a distance from one another in the transverse direction and protrude into the flow channel (02), with a first main vortex generator (17a) on the side facing the first wall end (15) and a second main vortex generator (17b) next to the first main vortex generator (17a) and an additional vortex generator (18); and - fuel nozzles (19), which are each arranged downstream of a main vortex generator (17), characterized in that the additional vortex generator (18) is arranged between the first main vortex generator (17a) and the first wall end (15) and has a height above the component wall (14) which is less than the height of the first main vortex generator (17a) and is without a respective fuel nozzle. Brennerteil nach Anspruch 4, wobei die Wirbelgeneratoren (17, 18) dreieckig ausgebildet sind, mit einer stromaufwärts gelegenen Vorlaufkurve (22) an der Bauteilwand (14) und einer stromabwärts gelegenen Nachlaufkurve (23) quer zur Bauteilwand (14) oder wobei die Wirbelgeneratoren (17, 18) eine sich von der vorderen Kurve (22) bis zum freien Ende der hinteren Kurve (23) erstreckende Deckfläche (24) und zwei sich jeweils von einem Ende der vorderen Kurve (22) bis zur hinteren Kurve (23) erstreckende Seitenflächen (25) aufweisen.burner part after claim 4 , wherein the vortex generators (17, 18) are triangular in shape, with an upstream leading curve (22) on the component wall (14) and a downstream trailing curve (23) transverse to the component wall (14), or wherein the vortex generators (17, 18) have a cover surface (24) extending from the front curve (22) to the free end of the rear curve (23) and two side surfaces (25) each extending from one end of the front curve (22) to the rear curve (23). Brennerteil nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Wirbelgeneratoren (17, 18) in der gleichen Position zur Strömungsrichtung angeordnet sind.Burner part according to one of the Claims 4 or 5 , wherein the vortex generators (17, 18) are arranged in the same position to the flow direction. Brennerteil nach Anspruch 6, wobei die Wirbelerzeuger (17, 18) nahe der Vorderkante (12) angeordnet sind.burner part after claim 6 , wherein the vortex generators (17, 18) are arranged near the leading edge (12). Brennerteil nach einem der Ansprüche 4 bis 7, mit mindestens drei und höchstens sechs, insbesondere vier oder fünf, Hauptwirbelerzeugern (17) mit jeweils einer nachgeschalteten Brennstoffdüse (19).Burner part according to one of the Claims 4 until 7 , with at least three and a maximum of six, in particular four or five, main vortex generators (17), each with a downstream fuel nozzle (19). Brennerteil nach Anspruch 8, wobei der zweite Hauptwirbelgenerator (17b) größer ist als der erste Wirbelgenerator (17a) und ein dritter Hauptwirbelgenerator (17c) neben dem zweiten Wirbelgenerator (17b) größer ist als der zweite Wirbelgenerator (17b).burner part after claim 8 , wherein the second main vortex generator (17b) is larger than the first vortex generator (17a) and a third main vortex generator (17c) adjacent to the second vortex generator (17b) is larger than the second vortex generator (17b). Brennerteil nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei der Zusatzwirbelerzeuger (18) mittig mit einer Toleranz von 15% zwischen dem ersten Wandende (15) und dem ersten Hauptwirbelerzeuger (17a) angeordnet ist und wobei der erste Hauptwirbelerzeuger (17a) mittig mit einer Toleranz von 15% zwischen dem ersten Wandende (15) und dem zweiten Hauptwirbelerzeuger (17b) angeordnet ist.Burner part according to one of the Claims 3 until 9 , wherein the additional vortex generator (18) is arranged centrally with a tolerance of 15% between the first wall end (15) and the first main vortex generator (17a) and wherein the first main vortex generator (17a) is arranged centrally with a tolerance of 15% between the first wall end (15) and the second main vortex generator (17b). Brennerteil nach Anspruch 10, wobei der Abstand zwischen dem dritten Hauptwirbelerzeuger (17c) und dem zweiten Hauptwirbelerzeuger (17b) mindestens das 1,2-fache und höchstens das 1,5-fache des Abstandes zwischen dem zweiten Hauptwirbelerzeuger (17b) und dem ersten Hauptwirbelerzeuger (17a) beträgt, oder wobei der Abstand von der Schleppkurve (23) zur jeweiligen Brennstoffdüse (19) weniger als die Hälfte der Länge des jeweiligen Hauptwirbelerzeugers (17) in Strömungsrichtung beträgt, insbesondere weniger als die Hälfte des jeweiligen Abstandes von der Vorkurve (22) zur Schleppkurve (23).burner part after claim 10 , wherein the distance between the third main vortex generator (17c) and the second main vortex generator (17b) is at least 1.2 times and at most 1.5 times the distance between the second main vortex generator (17b) and the first main vortex generator (17a), or wherein the distance from the drag curve (23) to the respective fuel nozzle (19) is less than half the length of the respective main vortex generator (17) in the flow direction, in particular less than half the respective distance from the pre-curve (22) to the drag curve (23). Brennerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit der Form einer Schaufel.Burner part according to one of the Claims 1 until 11 , with the shape of a shovel. Brenner (1, 1') mit mindestens einem, insbesondere mehreren Brennerteilen (11, 11') nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Burner (1, 1') with at least one, in particular several burner parts (11, 11') according to one of the preceding claims.
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