Zufuhreinrichtung, Brennersystem und Verfahren

Die Erfindung betrifft eine Zufuhreinrichtung, insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbine, zur drallfreien Zufuhr von Oxidator und Brennstoff in einen Brennraum, umfassend eine Zufuhrdüse mit einem von einer Düsenwand umgrenzten, entlang einer Längsachse L ausgerichteten, insbesondere zylindrischen, Düsenkanal, der in einer brennkammerseitigen Austrittsöffnung zur Angrenzung an den Brennraum mündet, und ein Injektorelement zur Zugabe des Brennstoffes in den Düsenkanal. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennersystem mit einer Zufuhreinrichtung sowie ein Verfahren zur drallfreien Zufuhr von Oxidator und Brennstoff in einen Brennraum.

Derartige Brennersysteme mit zumindest einer derartigen Zufuhreinrichtung sind auch als rezirkulationsstabilisierte Strahlflammenbrenner zur unverdrallten Hochgeschwindigkeitsverbrennung, oder auch FLOX®-Brennersysteme, bekannt. Ein solches Brennersystem geht beispielsweise aus der EP 1 918 641 A2 hervor. Dabei wird die Verbrennungszone in dem Brennraum im Betrieb durch eine großräumige, brennkammerinterne Rezirkulation von Abgas stabilisiert, die sich aufgrund Einbringung von Oxidator-ZBrennstoffstrahlen mit einem ausreichend hohen axialen Impuls in die Brennkammer ausbildet. Die Rezirkulation bringt das verbrannte, heiße Abgas zurück an die Strahlwurzel nahe der Zufuhrdüsen und vermischt es mit den eintretenden Frischgasen. Bei einer bekannten, ringförmigen Anordnung der Zufuhrdüsen entsteht die Rezirkulationszone in der Regel im Wesentlichen radial innerhalb des Düsenrings.

Die EP 0 769 655 A2 zeigt eine Airblast-Zerstäuberdüse für den Betrieb eines mit flüssigen Brennstoffen betriebenen Brenners. Die Düse weist in einer Luftzuführungsleitung ein Flüssigbrennstoffrohr auf, um welches eine Zwischenwand angeordnet ist. Mittels der Zwischenwand sind zwei konzentrisch zueinander angeordnete Luftkanäle gebildet, ein innerer Luftkanal und ein äußerer Luftkanal. Bei dem durch die Luftkanäle strömenden Luftstrom handelt es sich um Zerstäuberluft. Eine Hauptbrennluft wird in dem Kanal weiter stromab zugegeben.

Die US 4 261 517 A offenbart eine Brennstoffdüse zur Einbringung von zerstäubtem Brennstoff.

Die EP 0 660 038 A2 zeigt eine Brennstoffzufuhrvorrichtung zum Einbringen eines flüssigen Brennstoffes, wobei die Verbrennungsluft mittels Drallerzeugern verdraht wird.

Die US 8 590 812 B2 zeigt eine Brennstoffzufuhrdüse zur Zufuhr flüssiger und gasförmiger Brennstoffe in eine Brennkammer.

Unter Einsatz flüssiger Brennstoffe kann es bei derartigen Brennersystemen zur Interaktion des Brennstoffes mit der Düseninnenwand kommen, sodass angereicherter Brennstoff an der Düseninnenwand als Ligament oder in Form von schlecht zerstäubten, großen Tropfen den Brennraum erreicht. Dies hat unmittelbare negative Auswirkung auf die Stabilität, den Betriebsbereich und die Emissionen des Brennersystems. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zufuhreinrichtung der eingangs genannten Art zum stabilen Betrieb eines eingangs genannten Brennersystems bereitzustellen, sowie ein entsprechendes Brennersystem und Verfahren zur Zufuhr.

Die Aufgabe wird für die Zufuhreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , für das Brennersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 20 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst.

Erfindungsgemäß ist bei der Zufuhreinrichtung vorgesehen, dass das Injektorelement zur Zugabe von flüssigem Brennstoff ausgebildet ist und dass radial zwischen dem Injektorelement und der Düsenwand eine das Injektorelement (vollständig radial) umgebende, insbesondere zylindrische, Filmlegervorrichtung angeordnet ist, wobei zwischen der Düsenwand und der radialen Außenseite der Filmlegervorrichtung ein Außenkanal (zur Durchströmung mit einem Außenstrom) gebildet ist.

Die Filmlegervorrichtung ist insbesondere hülsenartig und/oder insbesondere mit offenen axialen Enden, zur Durchströmung mit Oxidator, ausgebildet.

Der Querschnitt der Düsenwand ist beispielsweise über die Länge konstant. Der Außenkanal und/oder der Innenkanal weisen insbesondere einen Ringspalt mit in einem jeweiligen Querschnitt (auf konstanter axialer Position und/oder zumindest großteils über ihre axiale Länge) im Wesentlichen konstanter Spalthöhe auf.

„Drallfrei“ bezieht sich auf die Zufuhr von Brennstoff und Oxidator in den Brennraum. Bei Zugabe des Brennstoffes in die Oxidatorströmung innerhalb der Zufuhrdüse kann eine Drallströmung vorhanden sein.

Bei dem Brennstoff kann es sich beispielsweise um ein Gemisch von flüssigen Kohlenwasserstoffen, z. B. ein Kerosin und/oder (Heiz-)ÖI, und/oder einen als Reinstoff vorliegenden flüssigen Kohlenwasserstoff handeln. Die Zufuhreinrichtung und/oder das Brennersystem ist/sind auch zum Betrieb mit Brennstoffen in anderen Aggre- gatszuständen kombinierbar, z. B. mit gasförmigen oder überkritischen Brennstoffen, vorzugsweise in Kombination mit einem/einer dafür ausgebildeten (separaten) Injektorelement und/oder Zufuhreinrichtung.

Durch die Filmlegervorrichtung ist eine vorteilhafte Zerstäubung des Brennstoffes unter Ausnutzung des hohen Impulses der Oxidatorströmung innerhalb der Zufuhrdüse erreichbar. Die Kombination aus Filmlegervorrichtung und Injektorelement ermöglicht es, den in einem FLOX®-Brennersystem zur Verfügung stehenden, hohen Strömungsimpuls der Prozessluft (des Oxidatorstroms) in der Zufuhrdüse zur Zerstäubung mittels der Filmlegervorrichtung (insbesondere an der Zerstäubungskante) zu nutzen. Gleichzeitig wird eine ungewollte, für das Brennersystem ungünstige, Flüssigkeitsinteraktion an der Innenwand der Zufuhrdüse vermieden. Die Zufuhreinrichtung eignet sich besonders für sehr kurze Baulängen und Zufuhrdüsen und ist auch zur Direkteinspritzung in den Brennraum (Zerstäubungskante an der Ausströmöffnung) geeignet.

Vorzugsweise ist radial innerhalb der Filmlegervorrichtung, insbesondere zwischen der radialen Innenseite der Filmlegervorrichtung und dem Injektorelement, ein Innenkanal (zur Durchströmung mit einem Innenstrom) gebildet. Diese Ausbildung ermöglicht eine Aufteilung des gesamten durch die Zufuhrdüse strömenden Oxidatorstroms in einen Außenstrom und einen Innenstrom, wodurch vorteilhaft Freiheitsgrade zur Auslegung zugunsten einer verbesserten Zerstäubung und Brennstoffplatzierung erhalten werden.

Insbesondere für eine vorteilhafte Strömungsführung, mit möglichst geringem Druckverlust und/oder unter Vermeidung von Sekundärströmung (z. B. Verwirbelungen), weist vorzugsweise die Filmlegervorrichtung zumindest über einen Großteil ihrer axialen Länge (mehr als 50 %, vorzugsweise über die gesamte axiale Länge) zumindest im Wesentlichen (z. B. abgesehen von einer funktional günstigen Formgebung an den Kanten) konstante Außenmaße, insbesondere einen konstanten Innendurch- messer und/oder Außendurchmesser, auf. Insbesondere verläuft die gesamte Filmlegervorrichtung parallel zu der Düsenwand.

Für eine effektive Zerstäubung weist die Filmlegervorrichtung an ihrem stromabseitigen axialen Ende eine Zerstäubungskante auf, wobei sich insbesondere die Wandung der Filmlegervorrichtung hin zu der Zerstäubungskante verjüngt, um eine scharfkantige Ausbildung der Zerstäubungskante zu erhalten. Vorzugsweise ist die Zerstäubungskante in axiale Richtung ausgerichtet, ohne radiale Richtungskomponente, ohne Bildung einer Einschnürung, um zusätzliche Druckverluste oder Störung in der Strömungsführung zu vermeiden. Für eine strömungsgünstige Formgebung verjüngt sich die Wandung der Filmlegervorrichtung zu einer stromaufseitigen Kante hin ebenfalls.

Das Injektorelement ist vorzugsweise länglich (d. h. mit größerer axialer als radialer Ausdehnung) ausgebildet und/oder ragt in die Zufuhrdüse hinein. Das Injektorelement weist insbesondere zumindest innerhalb der Zufuhrdüse und/oder der Filmlegervorrichtung einen zumindest im Wesentlichen zylindrischen und/oder (z. B. abgesehen von dem stromabseitigen Bereich, am Einspritzpunkt) konstanten Querschnitt auf.

Vorzugsweise sind die Zufuhrdüse, die Filmlegervorrichtung und das Injektorelement koaxial zueinander bzgl. der Längsachse angeordnet. Das Injektorelement ist insbesondere zentral auf der Längsachse angeordnet. So ist im Betrieb eine symmetrische Strömungsführung einhergehend mit vorteilhaften Verbrennungseigenschaften (Stabilität, geringe Emissionen) erreichbar.

Vorzugsweise ist an der Injektorvorrichtung der Einspritzpunkt des Brennstoffes an dem stromab gelegenen Ende der Injektorvorrichtung und/oder zentral, auf der Längsachse (der Zufuhreinrichtung bzw. der Zufuhrdüse) angeordnet. An dem Einspritzpunkt tritt der Brennstoff aus dem Injektorelement insbesondere über eine einzelne, zentrale Austrittsöffnung oder über mehrere Austrittsöffnung an dem Injekto- relement, in die Zufuhrdüse (innerhalb der Filmlegervorrichtung) ein. Eine unerwünschte Benetzung der Injektorvorrichtung wird so vorteilhaft vermieden. Die Oxi- datorströme (Innenstrom und Außenstrom) sowie die axiale Richtungskomponente der Brennstoff-(Tropfen-)strömung weisen vorzugsweise in die gleiche axiale Richtung, in Richtung Brennraum. Eine Gegenstromeinbringung des Brennstoffes in den Oxidatorstrom erfolgt nicht.

In einer bevorzugten Ausbildungsvariante ist der Einspritzpunkt der Injektorvorrichtung axial zwischen der Zerstäubungskante und einer stromaufseitigen Kante der Filmlegervorrichtung angeordnet. Die stromaufseitige Kante und die Zerstäubungskante definieren die Länge der Filmlegervorrichtung, die beispielsweise zwischen einmal und fünfmal dem Durchmesser der Filmlegervorrichtung beträgt. Zwischen der stromaufseitigen Kante und dem Einspritzpunkt ist insbesondere der Innenkanal in Form eines Ringkanals gebildet.

Eine vorteilhafte Benetzung der Innenseite der Filmlegervorrichtung zur Filmbildung ist erreichbar, wenn das Injektorelement zur Zugabe eines Brennstoffkegels mit einem Öffnungswinkel a (in axial-radialer Richtung) zwischen 40° und 120°, insbesondere zwischen 60° und 100°, ausgebildet ist. Der Brennstoff wird dabei vorzugsweise drallbehaftet in die Zufuhrdüse eingebracht, wodurch sich ausgehend von dem Einspritzpunkt der Brennstoffkegel ausbildet. Der Abstand zwischen dem Einspritzpunkt und der Zerstäubungskante ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass (zumindest) ein Teil des Brennstoffes unter Bildung eines Brennstofffilms auf die Innenseite der Filmlegervorrichtung auftrifft (ein anderer Teil des vorzugsweise am Einspritzpunkt zerstäubten Brennstoffes folgt z. B. dem Innenstrom direkt in die Zufuhrdüse). Für eine kompakte Bauweise wird eine möglichst kurze axiale Ausdehnung des Brennstofffilms angestrebt. Der Abstand zwischen Einspritzpunkt und Zerstäubungskante wird daher insbesondere unter Berücksichtigung des Öffnungswinkels a des Brennstoffkegels zur Filmbildung ausgelegt. Für eine besonders kompakte Ausbildung und über den Umfang gleichmäßige Brennstoffverteilung auf der Filmlegervorrichtung (gleichmäßige Filmbildung) ist das Injektorelement vorzugsweise als Druck-Drall-Injektor ausgebildet, wobei in dem Injektorelement ein Drallerzeuger zur Drallaufprägung bei der Brennstoffeinspritzung angeordnet ist. Der Brennstoffrelativdruck (Druckdifferenz Injektorelement zu Brennraum) bei Einbringung in das Injektorelement beträgt beispielsweise zwischen 1 bar und 100 bar. Der Drallerzeuger weist insbesondere eine Drallkammer auf, in welche Brennstoff durch mehrere, z. B. drei, symmetrisch zueinander, tangential zur Drallkammerwand angeordnete Öffnungen eingeleitet wird. Dadurch wird der Brennstoffströmung in der Drallkammer eine axiale und eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente aufgeprägt. Die Brennstoffströmung strömt unter Erhalt dieser Geschwindigkeitskomponente durch die Austrittsöffnung des Injektorelements. An der Austrittsöffnung des Injektorelements liegt der Einspritzpunkt. Die Drallströmung bewirkt stromab des Einspritzpunkts die radiale Richtungskomponente der Brennstoffströmung zur kegelförmigen Einbringung des Brennstoffes in die Zufuhrdüse innerhalb der Filmlegervorrichtung.

Vorzugsweise verjüngt sich der (insbesondere kreisförmige) Strömungsquerschnitt hin zu der Austrittsöffnung zunächst insbesondere konisch zu einem engsten Querschnitt, und weitet sich stromab des engsten Querschnittes stetig, insbesondere trompetenartig, auf einen größeren Querschnitt (z. B. mit 1 ,2- bis 3-fachem Durchmesser) am Übergang in die Zufuhrdüse (Austrittskante) auf. Durch die insbesondere trompetenartige Aufweitung kann der definierte Öffnungswinkel des Brennstoffkegels auch bei vergleichsweise geringen Massenströmen durch den Coanda-Effekt aufrechterhalten werden.

In einer bevorzugten Ausbildungsvariante ist an der Austrittsöffnung des Injektorelements am Übergang in die Zufuhrdüse eine um laufende, scharfe Austrittskante ausgebildet. Insbesondere beträgt ein Winkel zwischen den an der Austrittskante zusammenlaufenden Wandflächen weniger als 90°. Auf diese Weise kann eine (erste) Zerstäubung des Brennstoffes zur gleichmäßigen Filmbildung sowie eine definierte, vollständige Brennstoffeinbringung, ohne Benetzung der Außenseite der Injektorvorrichtung, erreicht werden.

Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem Einspritzpunkt und der Filmleger- Zerstäubungskante derart ausgelegt, dass zumindest ein Teil des Brennstoffes im Betrieb auf der Innenseite der Filmlegervorrichtung unter Bildung eines (zerstäubungsfähigen) Brennstofffilms auftrifft. Der Abstand zwischen dem Einspritzpunkt und der Zerstäubungskante richtet sich insbesondere nach der Ausbildung des Brennstofffilms. Die Länge des Brennstofffilms sollte z. B. mindestens 1-2 mm betragen. An der scharfen Zerstäubungskante wird unter Ausnutzung des hohen Impulses der Oxidatorströmung mittels der Scherschicht der Film aus Brennstoff in feine Tropfen zerstäubt, die mit der Oxidatorströmung weiter stromab in Richtung Austrittsöffnung getragen werden.

Vorzugsweise sind der Außenkanal und der Innenkanal durch Auslegung derart aufeinander abgestimmt, dass sich im Betrieb ein gesamter, durch den Düsenkanal strömender Oxidatorstrom in einen Außenstrom und einen Innenstrom aufteilt, wobei die Geschwindigkeit des Außenstroms größer ist als die Geschwindigkeit des Innenstroms, z. B. um einen Faktor zwischen 1 ,3 und 7, vorzugsweise zwischen 2 und 5. Der Außenstrom und der Innenstrom strömen vorzugsweise im Gleichstrom zueinander. Der Außenstrom dient zur Zerstäubung am stromabseitigen Ende der Filmlegervorrichtung und schützt die Düsenwand vor Brennstoffbenetzung. Die Zerstäubung in Brennstofftropfen an der Zerstäubungskante erfolgt insbesondere durch hohe Schergeschwindigkeiten des Außenstroms. Der Innenstrom interagiert mit dem Brennstoff stromab des Einspritzpunktes. Stromab der Zerstäubungskante folgen die Brennstofftropfen dem Oxidatorstrom.

Zur Ermittlung eines vorteilhaften Geschwindigkeitsverhältnisses (oder eines Bereiches an vorteilhaften Geschwindigkeitsverhältnissen, z. B. je nach Betriebspunkt) werden insbesondere drei Auslegungsfaktoren berücksichtigt: erstens soll für eine vorteilhafte Zerstäubung an der Zerstäubungskante eine Scherung zwischen dem Außenstrom und dem Innenstrom erreicht werden, zweitens eine Benetzung der Düsenwand mit Brennstoff stromab der Zerstäubungskante durch einen hohen Außenimpuls mittels des Außenstroms vermieden werden, und drittens eine ausreichend hohe Geschwindigkeit des Innenstroms bereitgestellt werden, um den Brennstofffilm innerhalb der Filmlegervorrichtung an die Zerstäubungskante voranzutreiben. Die Auslegung erfolgt insbesondere unter Verwendung computergestützter Strömungssimulation (CFD) und/oder experimentell, wobei z. B. das Verhältnis der Strömungsquerschnitte des Außenkanals und des Innenkanals variiert werden kann.

Vorteilhafterweise kann der maximale Strömungsimpuls für die Zerstäubung an der Zerstäubungskante genutzt werden, wenn die Zufuhrdüse an und/oder stromab der Filmlegervorrichtung, insbesondere an und/oder stromab der Zerstäubungskante, keine Verringerung des Strömungsquerschnitts aufweist.

Eine vorteilhafte Befestigung der Filmlegervorrichtung und/oder des Injektorelements ist erreichbar, wenn die Filmlegervorrichtung mittels mehrerer, insbesondere dreier, Befestigungselemente, an der Düsenwand befestigt ist, die insbesondere auf der radialen Innenseite der Filmlegervorrichtung das Injektorelement zentrieren. Die Befestigungselemente sind vorzugsweise strömungsgünstig, z. B. flügelartig, ausgebildet und/oder symmetrisch zueinander um die Längsachse und/oder auf der gleichen axialen Position angeordnet. Für eine möglichst geringe Beeinflussung der Strömung an dem und/oder stromab des Einspritzpunkt/s sind die Befestigungselemente vorzugsweise (möglichst weit, jedoch unter Aufrechterhaltung der mechanischen Stabilität) stromauf des Einspritzpunktes angeordnet. Auch eine andere Art der Befestigung ist denkbar, soweit diese die Strömung geringstmöglich beeinflusst und/oder eine achsensymmetrische Ausrichtung der Filmlegervorrichtung und der Längsachse des Injektorelements sicherstellt.

Vorzugsweise ist die Zufuhrdüse zur Zugabe von Oxidator und flüssigem Brennstoff in den Brennraum mit einem hohen axialen Impuls ausgebildet, wobei eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit an der Austrittsöffnung zwischen 40 m/s und 160 m/s, insbesondere zwischen 80 m/s und 140 m/s, beträgt. Die Hauptströmungsrichtung weist insbesondere zumindest großteils, oder ausschließlich, in axiale Richtung. Auf diese Weise wird im Betrieb eine brennkammerinterne, großräumige Rezirkulations- strömung zur Stabilisierung der Verbrennung induziert. Die Auslegung bezieht sich z. B. auf einen oder mehrere Auslegungspunkt/e.

Eine kompakte Ausgestaltung eines Brennersystems ist erreichbar, wenn die Zufuhreinrichtung zum Betrieb bei einer thermischen Leistung von 1 kW bis 50 kW, beispielsweise zwischen 10 kW und 20 kW (bzgl. Atmosphärendruck und/oder Luftzahlen zwischen z. B. 0,8 und 2,1 ) ausgelegt ist. Mittels höherem Druck ist die thermische Leistung bei vergleichbarer Baugröße entsprechend skalierbar. Dabei ist das Injektorelement insbesondere für einen Betrieb mit einem entsprechenden bzw. geringen Brennstoffmassenstrom ausgelegt (z. B. 0,1 bis 1 g/s, insbesondere 0,2 bis 0,8 g/s). Der Durchmesser des Düsenkanals kann z. b. zwischen 7 mm und 13 mm betragen. Der Außendurchmesser des Injektorelements kann z. B. zwischen 20 % und 70 % des Durchmessers des Düsenkanals betragen. Der Außendurchmesser der Filmlegervorrichtung kann z. B. zwischen 50 % und 85 % des Durchmessers des Düsenkanals betragen, wobei der Innendurchmesser zur Bildung des Innenkanals größer ist als der Außendurchmesser des Injektorelements.

Die vorstehend angegebenen Auslegungsmerkmale bewirken (einzeln oder in Kombination) auch bei einer kompakten Ausbildung der Zufuhreinrichtung eine äußerst vorteilhafte Anwendbarkeit mit vergleichsweise geringer Flammenlänge, die die Verwendung einer vergleichsweise kurzen Brennkammer ermöglicht. Für erforderliche hohe Leistungen werden vorzugsweise mehrere Zufuhreinrichtungen in einem Brennersystem beispielsweise in einer Matrix- und/oder Ringanordnung eingesetzt. So lässt sich die Zufuhreinrichtung auch in Anwendungen mit hohem Leitungsbedarf vorteilhaft verwenden, bei denen die kompakte Ausbildung eines Brennersystems im Vordergrund steht, beispielsweise in der Luftfahrt. Eine besonders kompakte Ausbildung der Zufuhreinrichtung ist erreichbar, wenn die Zerstäubungskante, zur Direkteinspritzung, nahe (z. B. einer Strecke entsprechend eines Düsendurchmessers oder geringer) oder auf axialer Höhe der Austrittsöffnung angeordnet ist.

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

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Brennersystem mit mehreren Zufuhreinrichtungen und einem Brennraum in vereinfachter schematischer Darstellung,

Fig. 2 A,B eine erfindungsgemäße Zufuhreinrichtung zur unverdrallten Zugabe von flüssigem Brennstoff in ein Brennersystem in einem Längsschnitt (Fig. 2A) und in einem Querschnitt A-A (Fig. 2B), und

Fig. 3 A,B,C ein beispielhaftes Injektorelement zum Einsatz in der Zufuhreinrichtung gemäß Fig. 2 A, B in perspektivischer Ansicht von der Seite (Fig. 3A) und im Längsschnitt (Fig. 3B, C).

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Einbausituation von (nicht im Detail dargestellten) erfindungsgemäßen Zufuhreinrichtungen 1 in einem Brennersystem 4, das sich insbesondere für den Einsatz in Gasturbinen in der Luftfahrt oder in Anwendungen zu Energieerzeugung eignet. Das Brennersystem 4 weist einen Brennraum 3 und eine an der stromaufgelegenen Seite des Brennraums 3 angeordnete Stirnplatte 6 auf, über welche die Zufuhreinrichtungen 1 in den Brennraum 3 münden. Dabei kann insbesondere eine Vielzahl von Zufuhreinrichtungen 1 vorhanden sein, die z. B. matrix- artig und/oder ringartig auf der Stirnplatte 6 angeordnet sind. Die Zufuhreinrichtungen 1 dienen zur Einbringung von flüssigem Brennstoff 27 und Oxidator 38 von einer (hier nicht näher dargestellten) Verteilerseite 2 in den Brennraum 3 über die Stirnplatte 6. Der Brennraum 3 erstreckt sich axial entlang einer Mittellängsachse M des Brennersystems 4 und z. B. radial rotationssymmetrisch um dieselbe. Die Zufuhreinrichtungen 1 erstrecken sich entlang von Längsachsen L, die parallel zu der Mittellängsachse M des Brennersystems 4 ausgerichtet sind.

Bei dem Brennstoff 27 kann es sich beispielsweise um ein Gemisch von flüssigen Kohlenwasserstoffen, z. B. ein Kerosin und/oder (Heiz-)ÖI, und/oder einen als Reinstoff vorliegenden flüssigen Kohlenwasserstoff handeln. Das Brennersystem 4 ist dabei insbesondere zum Betrieb mit Luftzahlen zwischen 0.8 und 2.1 ausgelegt.

Das Brennersystem 4 ist als rezirkulationsstabilisierter Strahlflammenbrenner zur unverdrallten Hochgeschwindigkeitsverbrennung ausgebildet. Bei dieser Art von Brennersystemen werden im Betrieb unverbrannter Brennstoff 27 und Oxidator 38 drallfrei mit einem derart hohen axialen Impuls in den Brennraum 3 eingebracht, dass sich im Brennraum 3 eine großräumige Rezirkulationszone 5 zur Stabilisierung einer Verbrennungszone ausbildet. Dabei beträgt eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit an der bzw. den Austrittsöffnung/en 12 beispielsweise zwischen 40 m/s und 160 m/s.

Fig. 2A und Fig. 2B zeigen den Innenaufbau der Zufuhreinrichtung 1 in jeweils einer Schnittdarstellung (Fig. 2A: Längsschnitt, Fig. 2B: Querschnitt A-A). Wie Fig. 2A zeigt, weist die Zufuhreinrichtung 1 eine Zufuhrdüse 10 mit einem von einer Düsenwand 16 umgrenzten, entlang der Längsachse L ausgerichteten, insbesondere zylindrischen Düsenkanal 14 mit beispielhaft konstantem Querschnitt auf. Der Düsenkanal 14 mündet in einer brennkammerseitigen, kreisförmigen Austrittsöffnung 12, die in montiertem Zustand an den Brennraum 3 angrenzt.

Zur Zugabe des Brennstoffes 27 in den Düsenkanal 14 umfasst die Zufuhreinrichtung 1 ein Injektorelement 24. Das Injektorelement 24 ist in dem Düsenkanal 14 koaxial zu der Zufuhrdüse 10 auf der Längsachse L angeordnet. Ein Einspritzpunkt 26, an dem der Brennstoff 27 im Betrieb in den Düsenkanal 14 eintritt, ist am stromabseitigen Ende des Injektorelements 24 für eine möglichst symmetrische Einbringung von Brennstoff 27 zentral auf der Längsachse L angeordnet.

Das Injektorelement 24 ist beispielhaft als Druck-Drall-Injektor ausgebildet, wobei der flüssige Brennstoff 27 mit hohem Brennstoffrelativdruck, von z. B. bis zu 100 bar, in das Injektorelement 24 eingebracht und mittels eines innerhalb des Injektorelements 24 befindlichen Drallerzeugers 46 vor Einbringung in den Düsenkanal 14 verdraht wird. Andere Ausbildungen des Injektorelements 24 zur Einbringung von flüssigem Brennstoff 27 sind möglich, sofern insbesondere eine vorteilhafte, gleichmäßige Filmbildung an der Filmlegervorrichtung 18 erreichbar ist, beispielsweise unter Verwendung einer „Jet-in-Crossflow“-Konfiguration.

Fig. 3A, Fig. 3B und Fig. 3C zeigen das Injektorelement 24 in beispielhafter Ausbildung in perspektivischer Ansicht von der Seite (Fig. 3A) und im Längsschnitt (Fig. 3B und Fig. 3C), wobei in Fig. 3C eine Austrittsöffnung 48 in einem Detail C dargestellt ist.

Wie Fig. 3A zeigt, weist das Injektorelement 24 einen im Wesentlichen zylindrischen Außenumfang auf.

Wie Fig. 3B zeigt, ist innerhalb des Injektorelements 24 der Drallerzeuger 46 mit einer zylindrischen Drallkammer 47 und vorliegend beispielhaft drei zueinander symmetrisch angeordneten Eintrittsöffnungen 45 zu der Drallkammer 47 angeordnet. Stromab des Drallerzeugers 46 weist das Injektorelement 24 die Austrittsöffnung 48 mit einer an die Zufuhrdüse 10 angrenzenden, umlaufend scharfen Austrittskante 52 auf.

Der Drallerzeuger 46 wird mittels eines Sicherungselements 44 gehalten. Stromauf des Sicherungselements 44 ist eine Druckfeder 42 zur Schwingungsentkopplung des Drallerzeugers 46 angeordnet. Wie Fig. 3C genauer zeigt, verjüngt sich stromab des Drallerzeugers 46 der insbesondere kreisförmige Strömungsquerschnitt hin zu der Austrittsöffnung 48 zunächst konisch zu einem engsten Querschnitt 50, und weitet sich stromab des engsten Querschnittes 50 stetig, insbesondere trompetenartig, auf einen größeren (z. B. einen 1 ,2- bis 4-fachen) Querschnitt an der Austrittskarte 52 auf. Durch die insbesondere trompetenartige Aufweitung kann der definierte Öffnungswinkel des Brennstoffkegels auch bei vergleichsweise geringen Massenströmen aufrechterhalten werden.

Die scharfe Austrittskante 52 wird insbesondere dadurch erhalten, dass an der Austrittskante 52 ein Winkel zwischen den zusammenlaufenden Wandflächen weniger als 90° beträgt. Auf diese Weise kann eine erste Zerstäubung des Brennstoffes an der Austrittskante 52 erreicht werden.

Mittels des hohen Drucks werden im Betrieb an dem Injektorelement 24 Brennstofftropfen erzeugt, die aufgrund des Dralls in einem von dem Einspritzpunkt 26 ausgehenden Brennstoffkegel 28 in den Düsenkanal 14 eintreten. Ein Öffnungswinkel a des Brennstoffkegels 28 kann beispielsweise zwischen 60° und 100° betragen.

Erfindungsgemäß weist die Zufuhreinrichtung 1 eine radial zwischen dem Injektorelement 24 und der Düsenwand 16 angeordnete Filmlegervorrichtung 18 auf. Die Filmlegervorrichtung 18 ist hülsenartig, insbesondere zylindrisch, ausgebildet und/oder umgibt das Injektorelement 24 vollständig radial umlaufend.

Zwischen der Düsenwand 16 und der radialen Außenseite der Filmlegervorrichtung 18 ist ein Außenkanal 30 gebildet, in dem im Betrieb ein Außenstrom 32 des Oxidators 38 strömt. Radial innerhalb der Filmlegervorrichtung 18, zwischen der radialen Innenseite der Filmlegervorrichtung 18 und dem Injektorelement 24, ist ein Innenkanal 24 gebildet, in dem im Betrieb ein Innenstrom 36 des Oxidators 38 strömt. Der Innenkanal 24 reicht von einer stromaufseitigen Kante 22 bis zu dem Einspritzpunkt 26 des Injektorelements 24. Die Filmlegervorrichtung 18 ist für eine symmetrische Strömungsführung koaxial zu der Zufuhrdüse 10 und dem Injektorelement 24 angeordnet (vgl. Fig. 2B). Dabei ist die Filmlegervorrichtung 18 insbesondere mittels mehrerer symmetrisch zueinander angeordneter, z. B. dreier, Befestigungselemente 40 an der Düsenwand 16 befestigt. Die Befestigungselemente 40 sind vorzugsweise möglichst weit stromauf an der Filmlegervorrichtung 18 angeordnet, um die Strömung an dem Einspritzpunkt 26 und stromab davon möglichst wenig zu beeinflussen. Die Befestigungselemente 40 können vorteilhafterweise auf der Innenseite der Filmlegervorrichtung 18 radial derart überstehen, dass sie ebenfalls das Injektorelement 24 zentrieren.

Wie Fig. 2A weiter zeigt, weist die Filmlegervorrichtung 18 an ihrem stromabseitigen Ende eine Zerstäubungskante 20 auf. Die Wandung der Filmlegervorrichtung 18 verjüngt sich zu der Zerstäubungskante 20 hin, um eine möglichst scharfkantige Ausbildung für eine feine Tropfenzerstäubung zu erhalten.

An ihrem stromaufseitigen Ende weist die Filmlegervorrichtung 18 eine Kante 22 auf. Die Kante 22 ist strömungsgünstig geformt, in Fig. 2A beispielhaft mit einer verjüngten Wandung der Filmlegervorrichtung 18, um einen möglichst geringen Druckverlust und/oder möglichst geringe Sekundärströmung (insbesondere Verwirbelungen) zu erzeugen.

Die Filmlegervorrichtung 18 ist axial derart innerhalb der Zufuhrdüse 10 angeordnet, dass der Einspritzpunkt 26 zwischen der Zerstäubungskante 20 und der stromaufseitigen Kante 22 der Filmlegervorrichtung 18 liegt. Die axiale Länge der Filmlegervorrichtung 18, zwischen der Zerstäubungskante 20 und der Kante 22, richtet sich nach unterschiedlichen Parametern. Zum einen sollen bis zu dem Einspritzpunkt 26 Einlaufeffekte innerhalb des Innenstroms 36 zumindest weitgehend abgeklungen sein. Zudem ist vorzugsweise der Abstand zwischen dem Einspritzpunkt 26 und der Zerstäubungskante 20 derart ausgelegt, dass zumindest ein Teil des Brennstoffes 27 unter Bildung eines Brennstofffilms auf die Innenseite der Filmlegervorrichtung 18 auftrifft. Der Abstand wird daher insbesondere unter Berücksichtigung des Öff- nungswinkels a des Brennstoffkegels 28 ausgelegt. Gleichzeitig sollte der Abstand für eine kompakte Ausbildung der Zufuhreinrichtung 1 möglichst gering gehalten werden.

Der Abstand zwischen der Zerstäubungskante 20 und der Austrittsöffnung 12 der Zufuhrdüse 10 kann je nach zu erzielendem Verbrennungsbild variiert werden, zwischen z. B. 0 mm (axiale Position der Zerstäubungskante 20 auf der Austrittsöffnung 12, entsprechend „Direkteinspritzung“) und z. B. bis zu zehnmal dem Durchmesser des Düsenkanals 16. Eine besonders kompakte Ausbildung der Zufuhreinrichtung kann mittels einer Anordnung möglichst weit stromab erreicht werden. Je nach Positionierung in Richtung stromauf kann beispielsweise der Verbrennungsvorgang, z. B. die Flammenlänge, beeinflusst werden.

Der radiale Abstand der Düsenwand 16, der Filmlegervorrichtung 18 und des Injektorelements 24 richtet sich nach einer vorteilhaften Strömungsauslegung. Dabei sind der Außenkanal 30 und der Innenkanal 34 derart zueinander ausgelegt, dass sich im Betrieb der gesamte Oxidatorstrom, der durch den Düsenkanal 14 strömt, gemäß eines vorteilhaften Verhältnisses aufteilt („Luftsplit“). Als vorteilhaft hat sich insbesondere herausgestellt, wenn die Geschwindigkeit des Außenstroms 32 z. B. um einen Faktor zwischen 1 ,3 und 7 größer ist als die Geschwindigkeit des Innenstroms 36. Dabei werden insbesondere drei Auslegungsfaktoren berücksichtigt: eine hohe Scherung zwischen dem Außenstrom 32 und dem Innenstrom 36 für eine vorteilhafte Zerstäubung an der Zerstäubungskante 20, ein hoher Außenimpuls durch den Außenstrom 32 stromab der Zerstäubungskante 20, um eine Benetzung der Düsenwand 16 mit Brennstoff zu vermeiden, und eine ausreichend hohe Geschwindigkeit des Innenstroms 36, um den Brennstofffilm innerhalb der Filmlegervorrichtung 18 an die Zerstäubungskante 20 voranzutreiben. Die Auslegung erfolgt insbesondere unter Verwendung computergestützter Strömungssimulation (CFD) und/oder experimentell. Im Betrieb strömt Oxidator 38 von der Verteilerseite 2 in die Zufuhrdüse 10 hinein. An der Filmlegervorrichtung 18 wird der gesamte Oxidatorstrom aufgeteilt in den durch den Außenkanal 30 strömenden Außenstrom 32 und den mit geringerer Geschwindigkeit durch den Innenkanal 34 strömenden Innenstrom 36.

Der Brennstoff 27 wird in das Injektorelement 24 mit hohem Brennstoffrelativdruck (z. B. zwischen 1 und 100 bar) eingebracht. Durch die Eintrittsöffnungen 45 strömt der Brennstoff 27 in die Drallkammer 47. Durch die Eintrittsöffnungen 45 und/oder innerhalb der Drallkammer 47 wird der Brennstoff, z. B. mittels (optional vorhandener) Leitkörper, in Rotation mit einer axialen und einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente versetzt und strömt so an die Austrittsöffnung des Injektorelements 24. An der Austrittsöffnung 48 des Injektorelements 24 liegt der Einspritzpunkt 26. Die Drallströmung bewirkt stromab des Einspritzpunkts 26 die radiale Richtungskomponente der Brennstoffströmung zur kegelförmigen Einbringung des Brennstoffes 27 in die Zufuhrdüse 10 innerhalb der Filmlegervorrichtung 18.

An dem Einspritzpunkt 26 wird Brennstoff 27 an der Austrittskante 52 zerstäubt und in dem Brennstoffkegel 28 mit dem Öffnungswinkel a zwischen 60° und 100°, z. B. 90°, zugegeben. Ein Teil des Brennstoffes 27 trifft einige Millimeter (z. B. zwischen 2 mm und 10 mm) stromauf der Zerstäubungskante 20 auf die Innenseite der Filmlegervorrichtung 18 auf, wodurch ein Brennstofffilm (Film aus Brennstoff 27) an der Innenseite der Filmlegevorrichtung 18 gebildet wird. Der andere Teil des zerstäubten Brennstoffes 27 folgt ohne Kontakt zu der Filmlegervorrichtung 18 dem Innenstrom 36.

Der Innenstrom 36 treibt den Brennstofffilm bis an die Zerstäubungskante 20 vor. An der Zerstäubungskante 20 treffen der Innenstrom 36 und der Außenstrom 32 aufeinander, wobei sich aufgrund der Geschwindigkeitsdifferenz eine Scherschicht bildet. An der scharfen Zerstäubungskante 20 wird unter Ausnutzung des hohen Impulses der Oxidatorstrom ung und mittels der Scherschicht der Brennstofffilm in feine Trop- fen zerstäubt, die mit der Oxidatorströmung weiter stromab in Richtung Austrittsöffnung 12 getragen werden.

Der vergleichsweise hohe Impuls des Außenstroms 32 bewirkt, dass die Brennstofftropfen nicht die Düsenwand 16 benetzen, sondern möglichst vollständig mit der Oxidatorströmung in den Brennraum 3 eingetragen werden. In dem Brennraum 3 erfolgt die Verbrennung des Oxidator-Brennstoffgemisches.

Durch die in Zusammenschau zweistufige Zerstäubung, mit der ersten Zerstäubung an der Austrittskante 52 des Injektorelements 24 und der zweiten Zerstäubung an der Zerstäubungskante 20, ergibt sich ein bei Eintritt in den Brennraum 3 vorteilhaft zerstäubter Brennstoff 27. Die erste Zerstäubung trägt insbesondere zur Ausbildung eines gleichmäßigen Brennstofffilms an dem Innenumfang der Filmlegervorrichtung 18 bei.

Untersuchungen der Erfinder bei zehn unterschiedlichen mittleren Strömungsgeschwindigkeiten der Oxidatorströmung an der Austrittsöffnung 12, von 70 m/s bis 160 m/s, haben beispielsweise einen über die gesamte Zufuhrdüse 10 sehr kleinen Tropfendurchmesser ergeben. Konkret wurden stromab der Zerstäubungskante 20 Tropfen mit Sauterdurchmessern (D32 _i charakteristische Tropfendurchmesser) zwischen knapp 10 pm und knapp 30 pm über den Radius der Zufuhrdüse 10 gemessen. Dadurch ist eine vorteilhafte Verdampfung und Emissionscharakteristik des Brennersystems 4 erreichbar.

Die Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass der vorteilhafte Betrieb durch den vorstehend beschriebenen Aufbau der Zufuhreinrichtung 1 bei einem vergleichsweise sehr kompakten Aufbau möglich ist.

Beispielsweise kann eine einzelne Zufuhreinrichtung zum Betrieb bei einer thermischen Leistung von z. B. zwischen 5 kW und 30 kW ausgelegt sein (Skalierung nach oben oder nach unten möglich). Auf diese Weise können sowohl Anwendungen mit vergleichsweise moderater Leistungsdichte und/oder moderatem Energiebedarf bedient werden (z. B. in der dezentralen Energieumwandlung), als auch, z. B. unter Verwendung einer Vielzahl von Zufuhreinrichtungen 1 in einem Brennersystem 4, Anwendungen mit einer hohen erforderlichen Leistung und/oder Leistungsdichte (z. B. Luftfahrtanwendungen).

Zusammenfassend kann mittels vorstehend angegebener, vorteilhafter Maßnahmen (einzeln oder in Kombination) zur Ausbildung einer einzelnen Zufuhreinrichtung 1 ein nach dem Konzept des rezirkulationsstabilisierten Strahlflammenbrenners zur unver- drallten Hochgeschwindigkeitsverbrennung ausgebildetes Brennersystem auch mit flüssigen Brennstoffen mit vergleichsweise kurzer Flammenlänge stabil, zuverlässig und emissionsarm betrieben werden, wodurch ein kompaktes Brennersystem bereitgestellt werden kann.