Brennermodul Die Erfindung betrifft ein Brennermodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Stand der Technik wird in Gasturbinen für industrielle Großanwendungen eine geringe Anzahl von Brennern (bis ca. 24) mit langen Flammen (bis ca. 0.5 m) eingesetzt. Um hierbei ei ^¬ nen ausreichenden Ausbrand vor Eintritt in die Turbine zu ge ^¬ währleisten, ist eine ausreichende Verweilzeit des Fluids in der Brennkammer nötig. Daraus ergibt sich zwangsweise eine große bzw. längere Brennkammer.

Ein anderer Ansatz für die Verbrennung in Gasturbinen ist die Verwendung von Mikroflammen-Brennern . Die Anzahl der Flammen wird hier im Vergleich zur Bauweise im Stand der Technik deutlich erhöht (Anzahl je nach Leistung (> 1000)) . Die Größe der Flammen beträgt hierbei je nach Konstruktion nur einige Millimeter bis wenige Zentimeter. Durch die kürzere Verweil ^¬ zeit auf hohen Temperaturen wird die Formierung von thermischem NOx drastisch reduziert. Durch den guten Ausbrand wird auch die Formierung von CO minimiert.

Die DE 2023 060 zeigt einen Brenner für gasförmige Brennstof ^¬ fe mit einer durchlöcherten porösen Austrittsplatte, die an einer Seite an eine Verbrennungszone und an der anderen an eine Grundplatte angrenzt. Die Grundplatte ist mit der Aus- trittsplatte so verbunden, dass die Perforationen oder Löcher in der Austrittsplatte den Perforationen oder Löchern in der Grundplatte deckungsgleich gegenüberliegen. So kann Luft durch sie strömen. Die Austrittspunkte haben von der Grund ^¬ platte einen solchen Abstand zwischen den Löchern, dass

Brennstoffdurchgänge gebildet werden. Diese bieten der Strö ^¬ mung des Brenngases einen Widerstand, der im Vergleich zum Strömungswiderstand durch die Austrittsplatte gering ist. Der Brenner ist insgesamt so ausgebildet, dass während des Gebrauchs des Brenners gasförmiger Brennstoff durch die

Brennstoffdurchgänge und von dort durch die poröse Austritts ^¬ platte in die Verbrennungszone strömt, wo er mit der durch die Perforationen oder Löcher angesaugten Luft verbrennt.

Die EP 1 001 216 AI zeigt eine Scheibe, mit durch die Scheibe hindurchführende Öffnungen. Quer zu den Öffnungen sind Kanäle angeordnet, durch welche Brennstoff geführt wird. Über diese Kanäle kann Brennstoff den Öffnungen zugeführt werden.

Bei den Mikroflammen-Brennern des Stands der Technik liegt jedoch ein großer Nachteil darin, dass die hohe Anzahl an Mikroflammen-Brennern die Herstellungskosten der gesamten Gasturbine enorm in die Höhe treibt, wenn nicht ein effizien- tes Fertigungsverfahren bei entsprechend einfachem Design zum Einsatz kommt. Gleichzeitig jedoch muss jeder einzelne Bren ^¬ ner eine ausreichende Durchmischung von Luft und Brennstoff/Brenngas gewährleisten. Zudem ist ein gewisser Regelbereich für die Leistungsregelung der Gasturbine wünschenswert, wobei diese bei kleinen Flammen anders erreicht werden muss, als bei großen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Angabe eines Brennermoduls, welche die obigen Nachteile unter Ein- haltung der oben genannten Bedingungen vermeidet.

Die auf das Brennermodul bezogene Aufgabe wird durch die An ^¬ gabe eines Brennermoduls nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vor ^¬ teilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprü- chen.

Durch das erfindungsgemäße Brennermodul können somit einzelne Teile der Brennkammer oder die gesamte Brennkammer durch solche Brennermodule ersetzt werden. Die Konstruktion und Ferti- gung der einzelnen Module ist dabei sehr kosteneffizient und kann dabei auch in Kleinanwendungen Verwendung finden und auch hier die Kosten senken. Die einfache Konstruktion ermöglicht hierbei eine schnelle und intensive Vermischung von Brennstoff und Luft (oder eines Luft-Brennstoffgemisches ) , wobei gerade die Zuführung des Brennstoffes mit nicht parallel zum Luftstrom angeordneten BrennstoffVerbindungen zu sehr guten Mischverhältnissen führt .

Durch das erfindungsgemäße Brennermodul wird die benötigte Verweilzeit in der Brennkammer herabgesetzt. Dadurch kann die Brennkammer, gegenüber den Brennkammern im Stand der Technik wesentlich verkleinert werden. Damit können auch hier die Kosten und der Aufwand reduziert werden. Die Verkleinerung der Brennkammer ermöglicht gleichzeitig eine Verkürzung des Rotors bzw. der gesamten Gasturbine. Hier werden im großen Maße Materialkosten gespart sowie das dynamische Verhalten der Maschine im Bezug auf Schwingungen und Massenträgheit verbessert. Durch die Verkleinerung der Brennkammer sinkt auch die zu kühlende Oberfläche der Brennkammer. Hier kann Kühlluft gespart werden, was die Effizienz des Gesamtprozes- ses verbessert.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt entlang einer Achse I-I eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennermoduls ,

Fig. 2 zeigt den Schnitt des ersten Ausführungsbeispiels entlang einer Achse II-II,

Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang einer Achse I-I eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemä ^¬ ßen Brennermoduls, Fig. 4 zeigt den Schnitt des zweiten Ausführungsbeispiels entlang einer Achse II-II,

Fig. 5 zeigt den Schnitt eines dritten Ausführungsbei ^¬ spiels entlang einer Achse II-II.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt entlang einer Achse I-I eines er ^¬ findungsgemäßen Brennermoduls gemäß einem ersten Ausführungs ^¬ beispiel. Fig. 2 zeigt den Schnitt des ersten Ausführungsbei- spiels entlang der senkrecht zu I-I verlaufenden Achse II-II. Das Brennermodul besteht dabei aus einer Platte 90 mit einer Unterseite 91. Auf diese Unterseite 91 wird eine Oberseite 92 durch Löten oder Schweißen befestigt, wobei die Zentrierung mit Indexbohrungen und Verstiftungen bewerkstelligt wird. In die Unterseite 91 sind mindestens zwei zumeist jedoch mehrere Hohlräume eingebracht. Die Hohlräume können eine Laserschnei ^¬ dung oder eine Erodierung oder eine Prägung oder eine Pressung sein, sind aber nicht auf diese Fertigungsmethode einge ^¬ schränkt. Die Hohlräume werden dabei mit Brennstoff 110 ver- sorgt (nicht gezeigt) . Diese Hohlräume sind im ersten Ausfüh ^¬ rungsbeispiel Nuten 95 (Fig.2) . Für die Fertigung der Nuten 95 eignet sich ebenfalls Laserschneiden, Fräsen, Erodieren oder Prägen/Pressen. Befinden sich - wie in Fig. 2 gezeigt - mehrere solcher Nuten 95 auf einem Brennermodul, so sind die- se bevorzugt parallel zueinander, das heißt in Reihen ange ^¬ ordnet. In den Nuten 95 ist ebenfalls Brennstoff 110 vorgese ^¬ hen. Die Nuten 95 münden in einem Sammelkanal (nicht gezeigt) am Ende des Brennermoduls und werden dann über eine geeignete Flanschkonstruktion an ein Brennstoff-Versorgungssystem

(nicht gezeigt) angeschlossen.

In die Platte 90 wird nun ein Durchgangskanal 98 angebracht, welcher sich von der Unterseite 91 zur Oberseite 92 erstreckt. Wie Fig. 1 zudem gezeigt, weist der Durchgangskanal 98 in der Oberseite 92 ein Durchgangskanalende 111 auf. Für die nachfolgende Beschreibung wird angenommen, dass die Plat ^¬ te 90 aus mehreren Durchgangskanälen 98 und mehreren Hohlräumen besteht. Die Durchgangskanäle 98 dienen der Führung von Luft 100 durch die Platte 90. Dabei kann die Luft 100 auch ein Luft- Brennstoffgemisch sein. Durch die durch die Durchgangskanäle 98 strömende Luft 100 wird dabei eine Luftströmungsrichtung L ausgebildet. In Luftströmungsrichtung L der Platte 90 nachge ^¬ schaltet befindet sich eine Brennkammer (nicht gezeigt) . Die Luft 100 wird durch die Durchgangskanäle 98 in die Brennkam ^¬ mer hineintransportiert. Die Durchgangskanäle 98 werden, wie die Hohlräume beispielsweise durch Stanzen, Bohren oder durch Laserbohren in die Platte 90 eingebracht. Der Durchgangskanal 98 ist jedoch ebenfalls nicht auf diese Art der Fertigung be ^¬ schränkt, jedoch stellen diese eine besonders einfache Her ^¬ stellungsweise dar.

Der Durchgangskanal 98 weist zumindest zwei sich gegenüber ^¬ liegende Kanalöffnungen 101 (Fig. 2) auf; dass heißt sie sind auf gleicher Höhe im Durchgangskanal 98 angeordnet. Dadurch kann eine bessere Verwirbelung des Brennstoffes mit der Luft 100 stattfinden. Wie Fig. 2 zeigt weist die Platte 90 zudem zwei BrennstoffVerbindungen 105 auf, welche von den Nuten 95 zu den Kanalöffnungen 101 führt. Die BrennstoffVerbindungen 105 sind mit den Kanalöffnungen 101 auf gleicher Höhe. Die BrennstoffVerbindungen 105 werden beispielsweise durch Stan- zen, Erodieren oder Laserbohren eingebracht. Der Brennstoff 110 kann so von den Nuten 95 über die BrennstoffVerbindungen 105 in die Strömung der Luft 100 des Durchgangskanals 98 ein- gedüst werden und sich so vermischen. Dabei können die BrennstoffVerbindungen 105 so zu dem Durchgangskanal 98 angeordnet sein, das sich hier im Wesentlichen ein 90° Winkel einstellt. Dies ergibt ein besonders gutes Mischungsverhältnis von

Brennstoff mit der Luft 100.

Von der Unterseite 92 her strömt daher verdichtete Luft 100 durch die Durchgangskanäle 98 in die Brennkammer. Brennstoff 110 strömt von den Nuten 95 durch die BrennstoffVerbindungen 105 in diese Luft 100 ein. Nach entsprechender Durchmischung brennt dann eine Flamme im Wesentlichen als Vormischflamme oder teilvorgemischte Flamme hinter dem Flammboden.

Werden die Kanalöffnungen 101 direkt unter der Oberseite 92 angeordert (Fig. 1), so ergibt sich bei der Verbrennung eine vorgemischte bzw. teilvorgemischte Flamme. Die Oberseite 92 enthält dann ausschließlich das in Luftströmungsrichtung L gesehene Durchgangskanalende 111 (Fig.l). Dabei ist das

Durchgangskanalende 111 als Diffusor zur Mischung von Luft 100 mit Brennstoff 110 ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine Änderung in der Strömungsgeschwindigkeit der in dem Durchgangskanal 98 vorhanden Strömung, woraus eine verbesserte Durchmischung und Einströmung in die Brennkammer resultiert. Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfin ^¬ dungsgemäßen Brennermoduls. Auch hierbei besteht die Platte 90 aus einer Unterseite 91 und einer Oberseite 92. In die Un ^¬ terseite 91 sind als Hohlräume Hohlbereiche 120 eingebracht. Auch hier wird angenommen, dass die Platte 90 mehrere Hohlbe- reiche 120 und Durchgangskanäle 98 aufweist. Die Hohlbereiche 120 beinhalten ebenfalls Brennstoff (nicht gezeigt) . Dabei werden die Hohlbereiche 120 als honigwabenförmiges (Fig. 5) oder quadratisches (Fig. 4) Muster in der Platte 90 verteilt. Dabei kann das Muster durch Fräsen von Nuten über Kreuz oder Prägen gefertigt werden. Die Hohlbereiche 120 können dabei dreieckig mit einer Seitenfläche b ausgeführt und im Abstand a von einander angeordnet sein (Fig. 5) . Wahlweise können die Hohlbereiche 120 auch viereckig mit einer Seitenfläche b aus ^¬ geführt und im Abstand a von einander angeordnet sein

(Fig.4) . Die geometrische Anordnung der Hohlbereiche 120 in der Platte ist jedoch nicht auf diese Geometrieformen be ^¬ schränkt. Ebenso können die Hohlbereiche 120 jede beliebige, andere Form aufweisen. In die Platte 90 der Fig. 3 sind ebenfalls Durchgangskanäle

98 mit Kanalöffnungen 101 angebracht. Die Durchgangskanäle 98 weisen bei honigwabenförmiger (Fig. 5) oder quadratischer (Fig. 4) Verteilung der Hohlbereiche 120 bevorzugt drei Ka- nalöffnungen 101 bzw. vier Kanalöffnungen 101 auf. Dabei beziehen sich die drei bzw. vier Kanalöffnungen 101 auf jeweils einen Durchgangskanal 98. Dabei können die Kanalöffnungen 101 in der Oberseite 92 angeordnet sein, so dass der Brennstoff sich entweder erst in der Brennkammer mit der Luft 100 mischt (das heißt die Kanalöffnungen sind auf der Oberfläche 92 an ^¬ geordnet) oder im Durchgangskanal 98, kurz vor Eintritt der Luft 100 in die Brennkammer. In den Figuren 3 bis 5 sind die BrennstoffVerbindungen 105 zu dem Durchgangskanal 98 schräg nach radial innen gerichtet, unter Umständen tangential zum Durchgangskanal 98 angestellt. Zudem können die zwei BrennstoffVerbindungen 105 zum Durchgangskanal 98 einen Winkel zwischen >0 und 90° aufweisen. Da- durch findet eine Steigerung der Mischung statt. Brennstoff, der in dem Hohlbereich 120 geführt wird, entweicht so über die schräg nach radial innen gerichteten, unter Umständen tangential angestellten BrennstoffVerbindungen 105 in die Strömung der Luft 100 des Durchgangskanals 98 hinein. Die Flamme brennt dann nach entsprechender Durchmischung im Wesentlichen als Diffusionsflamme hinter dem Flammboden.

Zusätzlich oder alternativ besteht die Möglichkeit, den

Brennstoff 100 von den Hohlbereichen 120 durch einen um den Durchgangskanal 98 herum angeordneten (nicht notwendigerweise durchgängigen) Ringspalt (nicht gezeigt) in die Brennkammer einzudüsen .

Vorteilhafterweise ist durch mehrere Brennermodule eine

Brennkammer ausgebildet. Dadurch kann die Brennkammer signifikant verkleinert werden, als eine herkömmliche Brennkammer mit z.B. Pilotbrenner.

Durch die beschriebene Konstruktion und die beschriebene Fer- tigungsweise wird es ermöglicht, dass die Vorteile von Mikro- flammen-Brennern auch in Gasturbinen für industrielle Großanwendungen kosteneffizient Verwendung finden kann. Das beschriebene Konzept von Konstruktion und Fertigung kann dabei auch in Kleinanwendungen Verwendung finden und auch hier die Kosten senken. Die Konstruktion ermöglicht hierbei eine schnelle und intensive Vermischung von Brennstoff und Luft 100, wobei gerade die Zuführung des Brennstoffes, mit tangen ^¬ tial oder im 90° Winkel, zum Luftstrom angeordneten BrennstoffVerbindungen zu hervorragenden Mischverhältnissen führt. Durch das Konzept wird die benötigte Verweilzeit in der

Brennkammer herabgesetzt bzw. die Brennkammer kann verkleinert werden. Damit können auch hier die Kosten und der Aufwand reduziert werden. Die Verkleinerung der Brennkammer ermöglicht gleichzeitig eine Verkürzung des Rotors bzw. der ge ^¬ samten Gasturbine, hier werden im großen Maße Materialkosten gespart, das dynamische Verhalten der Maschine im Bezug auf Schwingungen und Massenträgheit verbessert. Durch die Ver ^¬ kleinerung der Brennkammer sinkt auch die zu kühlende Oberfläche der Brennkammer. Hier kann Kühlluft gespart werden, was die Effizienz des Gesamtprozesses verbessert.