EP3699493B1 - Brennkammersystem und mikrogasturbinenanordnung - Google Patents

Brennkammersystem und mikrogasturbinenanordnung Download PDF

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EP3699493B1
EP3699493B1 EP20160469.1A EP20160469A EP3699493B1 EP 3699493 B1 EP3699493 B1 EP 3699493B1 EP 20160469 A EP20160469 A EP 20160469A EP 3699493 B1 EP3699493 B1 EP 3699493B1
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EP
European Patent Office
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combustion chamber
chamber system
modular unit
subportion
wall
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EP20160469.1A
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EP3699493A1 (de
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Hannah Seliger-Ost
Matthias Lang
Andreas Huber
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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    • F23D14/04—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner
    • F23D14/08—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner with axial outlets at the burner head
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00005—Preventing fatigue failures or reducing mechanical stress in gas turbine components

Definitions

  • the invention relates to a combustion chamber system, in particular for use in a gas turbine system, with a circumferential wall running around a longitudinal axis which delimits a combustion chamber in which a reaction zone is formed during operation, with a burner head arranged on the inlet side of the combustion chamber for adding fuel and oxidizer to the Combustion chamber, which comprises at least one fuel supply for adding fuel to the oxidizer, and with a combustion chamber outlet arranged on the outlet side of the combustion chamber.
  • the invention also relates to a micro gas turbine arrangement with a combustion chamber system.
  • combustion chamber systems are used, for example, in gas turbine systems and are, for example, from the EP 1 497 589 B1 and the EP 1 995 515 A1 known.
  • development of such combustion chamber systems aims to optimize pollutant emissions and ensure stable operation.
  • micro gas turbine systems in a power class of less than 1 MW
  • a wide operating range, at full and partial load should be covered due to the corresponding areas of application, e.g. in the field of combined heat and power.
  • a high degree of flexibility for example with regard to operation with different fuels, is sought.
  • a special known concept uses a combustion process management in which a pronounced, in particular inner, recirculation zone is formed in the combustion chamber, based on the so-called FLOX® principle ("Flameless Oxidation").
  • FLOX® principle “Flameless Oxidation”
  • Current combustion chamber systems based on the FLOX® principle are, for example, in " Zanger, J., Monz, T, Aigner, M., Experimental Investigation of the Combustion Characteristics of a double-staged FLOX®-based Combustor on an Atmospheric and a Micro Gas Turbine Test Rig, Proceedings of ASME Turbo Expo 15.-19 .
  • the installation position or location of the combustion chamber system in a turbine housing can have an influence, in particular if the outer boundary of the combustion chamber system is integrated into the geometry of gas ducts.
  • This can e.g. B. be cooling air ducts around the combustion chamber system.
  • the positioning or position of the combustion chamber system changes with respect to the housing, for example due to thermal expansion during operation, this can influence the geometry and change the supply of the combustion chamber system with fuel gas (oxidizer and / or fuel). This in turn can have a negative effect on the combustion process, in particular the stability and / or exhaust gas emissions.
  • DE 10 2015 226 079 A1 shows a combustion chamber device with a two-part flame tube.
  • the first flame tube part and the second flame tube part are displaceable relative to one another.
  • the two flame tube parts overlap one another in an overlapping section.
  • Another combustion chamber device is in the GB 1 420 202 A shown.
  • the invention is based on the object of providing a combustion chamber system which is positioned in a technical application in a largely defined manner during operation.
  • the invention is also based on the object of providing a micro gas turbine arrangement with such a combustion chamber system.
  • combustion chamber system is divided into at least a first and a second structural unit, which are arranged axially one behind the other in an installed state in a technical application, wherein the second structural unit extends at least partially downstream of the first structural unit, and that the structural units are axially relative are mounted displaceably to each other.
  • micro gas turbine arrangement For the micro gas turbine arrangement, the object is achieved with the features of claim 14.
  • This relates to a micro gas turbine arrangement with a combustion chamber system according to the invention, with a turbine connected downstream of the combustion chamber system and with a housing that surrounds at least the combustion chamber system by means of a wall, with at least one duct for gas ducting, in particular for air ducting, being formed between an area of the wall and the combustion chamber system is.
  • the design according to the invention achieves a division of the combustion chamber system, which can in particular be carried out perpendicular to the axial direction.
  • the second unit includes z. B. downstream of the first structural unit. In the transition, the structural units overlap at least in some areas.
  • the axial displaceability is such that at least the downstream end of the first Structural unit, in particular the first section of the peripheral wall, relative to the second structural unit, in particular the second partial section of the peripheral wall, are axially displaceable.
  • This design has the effect that changes in the axial position of one, e.g. The change in position or length is not transferred to the subsequent structural unit, since the axial movements of the structural units are decoupled from one another. Variations in position, in particular in length, of the combustion chamber system can thus be minimized.
  • This is particularly advantageous when the combustion chamber system is integrated into an internal geometry of a technical application, with precise positioning being required. This can be the case, for example, when the combustion chamber system forms a partial delimitation of a channel for conducting gas and changes in length of the combustion chamber system would influence the flow cross-section of the channel, which in turn can affect the combustion process.
  • the defined positioning thus contributes to a controlled, clean and stable combustion during operation.
  • Simple adaptation possibilities of the combustion chamber system result if the structural units are detachably (axially) arranged one behind the other in the installed state.
  • the structural units can then be present separately from one another during or after the dismantling of the combustion chamber system.
  • structural units that should be designed differently for a different mode of operation can be exchanged individually without the entire combustion chamber system having to be exchanged.
  • This can relate, for example, to elements that have an influence on a division of the oxidizer flow, such as, for example, mixed air openings in a section of the circumferential wall.
  • the first structural unit comprises a first section of the circumferential wall and the second structural unit comprises a second section of the circumferential wall.
  • the division of the combustion chamber system into the structural units is arranged adjacent to one or between two subsections.
  • the sections run z. B. each circumferentially around the longitudinal axis, so that there are pipe sections arranged axially one behind the other.
  • the division can be made, for example, perpendicular to the axial direction (i.e. to the longitudinal axis).
  • the modules arranged one behind the other overlap with one another in an axial overlap area, wherein in particular the first partial section overlaps with the second structural unit, in particular with the second partial section.
  • the inner circumference of the one, outer structural unit or the subsection is larger than the outer circumference of the other, inner structural unit or the subsection and is pushed over the inner structural unit or the inner subsection in the overlapping area.
  • the exact length of the overlap area can change depending on the axial displacement of the two subsections with respect to one another.
  • a tubular configuration of the circumferential wall is in the overlap area z.
  • B. a tube-in-tube arrangement In this way, a defined, easy-to-manufacture transition between two structural units or sub-sections can be obtained in a simple manner.
  • a stable mounting that is independent of the first structural unit for precise fixing of the second structural unit is achieved in that the second structural unit has at least one bearing means on its outer circumference which is designed to attach the second structural unit to a housing surrounding the combustion chamber system (e.g. the transition between two housing parts, such as a pressure housing and a turbine housing part).
  • a housing surrounding the combustion chamber system e.g. the transition between two housing parts, such as a pressure housing and a turbine housing part.
  • a reduction in the temperature load on the bearing means is achieved in that the bearing means is arranged in the overlap area, in particular between the first section and the second section. In this area z. B. due to a contact-free arrangement of the two structural units to each other and any air leakage into the combustion chamber, lower temperatures on the outside of the peripheral wall.
  • the storage means can thus be designed to be less temperature-resistant, which is usually associated with lower production costs and / or outlay.
  • the structural units, in particular the subsections are arranged in the overlapping area at least partially without contact with one another.
  • Touching elements may be present, e.g. B. spacer means to keep the gap.
  • Such a design enables simple, low-friction assembly and mobility of the subsections with respect to one another. Stress states in the material during axial movement to one another are reduced or avoided.
  • the gap is as small as possible in order to keep leakages between the combustion chamber and the outside area low, but preferably sufficiently large to be able to operate during operation, e.g. B. under thermal expansion to grant unimpaired mobility.
  • the combustion chamber system preferably comprises at least one anti-rotation device, by means of which the structural units arranged one behind the other (in particular with successive subsections) are mounted so as to be non-rotatable relative to one another in the circumferential direction.
  • This enables the structural units or the subsections to be precisely positioned relative to one another in the circumferential direction.
  • elements of the combustion chamber system that are assigned to different subsections or structural units can be arranged in a defined manner relative to one another in the circumferential direction.
  • One example are mixed air openings that are positioned in a defined position relative to feed nozzles of the burner head. This training contributes to an optimized, controlled combustion process.
  • the anti-rotation device is formed in the overlap area, one of the two structural units being arranged on the outside and one on the inside.
  • the anti-rotation device comprises an anti-rotation device, which is formed in particular on the inside of the outer structural unit in the overlap area, in particular the outer subsection, and also a receptacle, which is formed in particular on a downstream end of the inner structural unit, in particular the inner subsection.
  • the anti-rotation device can be guided axially in the receptacle.
  • the anti-rotation means is in particular as a projection, for. B. in the form of a "nose", a pin or a web.
  • the recess preferably extends axially longitudinally starting from the downstream end in the inner structural unit, for. B. as a slot in the inner section.
  • the receptacle is dimensioned in such a way that the anti-rotation device can protrude into it.
  • the anti-rotation device allows an axial relative movement, but prevents rotation.
  • the first structural unit comprises the burner head and the first section of the circumferential wall, which is in particular fastened to the burner head. With the first section, the first structural unit extends axially over the region of the reaction zone.
  • the second structural unit comprises the combustion chamber outlet. In and immediately downstream of the reaction zone, high temperatures arise during operation, which cause a relatively large thermal expansion of the first section. The change in length of the first section caused by this can be compensated for by movement relative to the second section due to the axial displaceability and therefore does not lead to a change in length of the entire combustion chamber system. This enables a largely defined position or positioning of the combustion chamber system over the entire length even during operation.
  • the first subsection preferably extends as far as possible in the direction of the combustion chamber outlet, so that the largest possible part of the change in length can be compensated for by thermal expansion of the combustion chamber system.
  • the first section can so, for. B. extend to an axial position at which the temperature of the exhaust gas z. B. is significantly reduced by adding secondary air, which also reduces thermal expansion.
  • the length of the first subsection or the division can expediently be selected such that elements or configurations of the combustion chamber system downstream of the reaction zone, which have to be adapted in different modes of operation (e.g. mixed air openings), are assigned to the second structural unit.
  • a second section of the circumferential wall can also be dispensed with and the first section is located in an area provided for this purpose in the second structural unit, e.g. B. at the combustion chamber outlet, expand.
  • the bearing means is preferably designed for arrangement in a gas guide section, in particular in a channel, wherein gas can pass through it.
  • the gas guide section is formed between the combustion chamber system and the surrounding housing of a technical application.
  • Passable by gas means that the bearing means is aerodynamically designed with a low locking effect, wherein it is z. B. blocked less than half of the flow cross-section. It can thus advantageously act at the same time as a (radial) spacer, which ensures a defined cross-sectional area of the channel and thus enables a uniform gas flow.
  • a ring-like element is particularly useful because it has a high level of stability and is relatively simple, e.g. B. as a turned and / or milled part is to be manufactured.
  • Such an advantageous gas-passable, stable design of the bearing means results, for. B., if the bearing means (in particular ring-shaped) is designed circumferentially, with a circumferential outer contact section for contact with a housing surrounding the combustion chamber system and with a circumferential inner contact section, which is arranged on the second structural unit, in particular on the second subsection, e.g. B. is attached, and when the two contact sections are connected to one another gas passable via radially arranged webs.
  • the outer contact section can have a circumferential, radially outwardly directed protrusion for easy axial fixation on the housing, the z. B. can engage in a groove of a flange connection.
  • a part-optimized and flow-optimized mounting of the first structural unit results when the first structural unit is mounted via the burner head (or at least parts thereof) and via a fuel supply line.
  • the fuel supply line can be dimensioned relatively large relative to the first structural unit and thus has good stability for its stable mounting.
  • the combustion chamber system is designed in such a way that, during operation, a secondary flow of oxidizer is branched off from a total oxidizer flow and is directed via the burner head into a channel between the circumferential wall and a wall surrounding the combustion chamber system.
  • the wall is assigned in particular to a housing surrounding the combustion chamber system.
  • the secondary current is z. B. used for cooling purposes, both convective by flowing past the peripheral wall and for cooling the exhaust gas by admixture behind the reaction zone through mixed air openings.
  • the ratio between the total oxidizer flow and the secondary flow is usually based on the geometry and a specific pressure loss ratio associated with it.
  • Changes in the length of the combustion chamber system can influence this ratio via changes in the geometry of the duct, which in turn can influence the combustion process. This can be reduced or avoided by the design of the combustion chamber system according to the invention. Simultaneously the ratio can be changed in a targeted manner by changing the geometry of the air supply of the duct and / or of existing mixed air openings due to the simple interchangeability of the second structural unit.
  • An advantageous embodiment results when mixed air openings are arranged in the second section of the circumferential wall, in particular circumferentially, through which, during operation, oxidizer of the secondary flow flows into the combustion chamber downstream of the reaction zone.
  • the admixture of oxidizer cools the exhaust gas before it enters the turbine, which significantly reduces the thermal load on the turbine and can also reduce the thermal expansion of the circumferential wall from the position of the mixed air openings.
  • the mixed air openings are assigned to the second section, the mixed air openings can be changed in a simple manner by simply replacing the second structural unit, e.g. B. if another mode of operation requires a different ratio of total to secondary current.
  • a particularly advantageous combustion chamber system is obtained when the combustion chamber system is designed for operation with a pronounced inner recirculation zone, in particular feed nozzles for supplying oxidizer and / or fuel via the burner head being arranged in a ring around the end wall of the burner head.
  • the feed nozzles are preferably located radially in the outer region, closer to the circumferential wall than to the longitudinal axis, preferably in the outer third.
  • the peripheral wall is for a symmetrical combustion z.
  • Combustion chamber systems of this type are for example in the not previously published German patent application No. 10 2016 118 632.5, filed with the DPMA on September 30, 2016 , and in the not pre-published German patent application No. 10 2016 118 633.3, filed with the DPMA on September 30, 2016 specified.
  • a flow-favorable design of the burner head and thus of the combustion chamber system is achieved if the end wall is at least partially designed to taper against the direction of flow of the oxidizer.
  • the end wall tapers conically, for example, and converges in particular symmetrically on the longitudinal axis. This reduces the flow loss through the oxidizer, which is directed via a plenum in the direction of the combustion chamber or around the combustion chamber. This contributes to optimizing the flow of the combustion chamber system and thus to increasing the overall efficiency of a system in which the combustion chamber system is used.
  • the branching off of a secondary flow from the oxidizer and its distribution to a channel around the circumferential wall can also take place in a flow-efficient manner.
  • the end wall is preferably designed as a wall instead of solid material.
  • Supply nozzles that are present in the combustion chamber are attached to the end wall and protrude at least upstream into the plenum, preferably also downstream into the combustion chamber.
  • the material thickness of the end wall can be as small as possible, but in such a way that sufficient stability is ensured even under the thermal load that is typical for combustion chamber systems. It has been found that such an end wall, which is as thin as possible, contributes to the stability of the combustion process: the low mass results in low thermal inertia. In this way, steady states in the combustion chamber system with stable combustion operation are reached more quickly.
  • a compact first structural unit with a stable mounting can be obtained in that the end wall merges upstream into a positioning element which is arranged on the longitudinal axis, and that the positioning element merges upstream into a distributor area and above it into a fuel supply line.
  • This is also a symmetrical, part-optimized and flow-efficient design of the combustion chamber system achievable.
  • the symmetry favors an optimized combustion process with low pollutant emissions.
  • Fig. 1 shows a sectional view of a combustion chamber system 1 with a burner head 4 and a combustion chamber 10.
  • the combustion chamber system 1 is designed for combustion process control according to the so-called "FLOX®" principle, in which a pronounced inner recirculation zone 22 is formed during operation.
  • FLOX® so-called "FLOX®” principle
  • the combustion chamber 10 comprises a combustion chamber 2 which is delimited by a peripheral wall 3 of the combustion chamber 10.
  • the circumferential wall 3 is arranged cylindrically about a longitudinal axis L, along which the combustion chamber system 1 extends axially.
  • mixed air openings 30 for supplying mixed air are introduced into the burned exhaust gas flowing out of the combustion chamber 10.
  • these are in a row in a ring-like manner, evenly distributed radially around the circumferential wall 3 and individually designed as circular bores, other opening shapes and also other arrangements being possible.
  • the burner head 4 is arranged on the inlet side of the combustion chamber 2 and has several, here by way of example six, feed nozzles 47 into the combustion chamber 2 for the addition of fresh gases to be burned (ie oxidizer, here further referred to as "(combustion) air", and fuel) opening feed openings 46.
  • the feed openings 46 are arranged uniformly circumferentially on an imaginary ring in an inlet-side end wall 40.
  • the ring, in particular a circular ring, on which the supply openings 46 are arranged, is located in the outer region of the end wall 40, so that the radial distance between the supply openings 46 (with respect to their midpoints) and the peripheral wall 3 is less than that of the longitudinal axis L.
  • the fresh gas " Air” can also be formed by another oxidizer and / or contain gas additives, such as exhaust gas, or thermally utilizable hydrocarbon compounds.
  • the fuel gas is z. B. natural gas is used, or another, in particular gaseous, fuel.
  • the burner head 4 comprises a fuel feed for adding fuel to the combustion air.
  • the end wall 40 is conically tapered against the direction of flow with respect to the combustion air in order to reduce the flow loss during operation compared to a flat design.
  • the fuel supply comprises a plurality of fuel nozzles 44, each of which here is one of the supply nozzles 47 to form air / fuel nozzle arrangements 41 are assigned.
  • a feed nozzle 47 protrudes with an upstream end formed here by a cylinder section into a plenum 49 and thus forms an air supply 45. here over a conical axial area, and protrudes with a tapered, downstream section through the end wall 40 into the combustion chamber 10.
  • the section protruding into the combustion chamber 10 is also cylindrical, but can also have a different shape.
  • the supply nozzles 47 extend along central longitudinal axes M, which are aligned parallel to the longitudinal axis L, for the axial supply of the partially premixed fuel-air mixture into the combustion chamber 10.
  • a non-premixed or technically completely premixed addition of the fresh gases is also possible, with the Burner head 4 is designed accordingly.
  • a branch line 43 of a finger-like line arrangement protrudes into each feed nozzle 47.
  • the branch lines 43 branch off like fingers from a central fuel supply line 42, whereby they have a certain line length, for example more than three times as long as the outer line diameter.
  • the branch lines 43 are designed with a change of direction, here bent for a favorable flow guidance, the angle ⁇ of the bends being greater than 90 ° and less than 180 ° .
  • one branch line 43 opens into a fuel nozzle 44 which is positioned directly upstream of the tapered section, with an opening immediately at the beginning of the acceleration section.
  • the fuel can thus be added coaxially to the inflowing combustion air, the combustion air being accelerated by the cross-sectional constriction immediately downstream of the fuel addition position.
  • a (partial) premixing of fuel and combustion air can take place up to the supply opening 46.
  • the fuel supply further comprises a central distributor area 421 arranged symmetrically on the longitudinal axis L and the branch lines 43 extending therefrom and opening into the fuel nozzles 44.
  • the branch lines 43 are fed with fuel via the distributor area 421 and a fuel supply line 42. This results in a symmetrical arrangement of the fuel supply in which a fuel plenum is not explicitly provided. This means that there is no need for a high pressure loss for even distribution of the fuel, as is usually the case with designs with a fuel plenum.
  • the burner head 4 and the peripheral wall 3 can have a radial positioning unit as an assembly aid (not shown here).
  • This can be formed, for example, by a nose-like projection in the outer area of the end wall 4 and a complementary receptacle in the peripheral wall 3.
  • the recording is z. B. designed and positioned so that the projection engages during the assembly of the burner head 4 and the peripheral wall 3.
  • the combustion chamber system 1 has a combustion chamber outlet 35, by means of which the combustion chamber system 1 merges into an exhaust line (not shown here) of an exhaust gas region 5.
  • the exhaust gas is fed to a turbine, for example, via the exhaust pipe.
  • the combustion chamber outlet 35 has a conical section 38, which is provided to reduce the cross-section from the circumferential wall 3 to the exhaust pipe in a streamlined manner.
  • the conical portion 38 can be fixed, e.g. B. be integrally connected to the peripheral wall 3.
  • the conical section 38 can also be dispensed with.
  • the combustion chamber system 1 is mounted in a housing of a technical application, the wall 8 of which in FIG Fig. 1 is partially indicated schematically.
  • this can be the housing of a micro gas turbine arrangement, for example with a pressure housing part 81, which houses a large part of the combustion chamber system 1, and with a turbine housing part 82, which are connected via a flange connection 83 (indicated here).
  • a duct 84 for guiding air is formed between the wall 8 and the outside of the peripheral wall 3.
  • the channel 84 is used to guide the secondary air which, during operation, is divided from the total air flow of the plenum 49 upstream of the end wall 40.
  • the wall 8 converges in the area of the conical section 38 in a, here conical, cross-sectional constriction.
  • the flow cross-section of the channel 84 in the area of the cross-sectional constriction depends, among other things, on the axial length of the combustion chamber system 1.
  • the combustion chamber system 1 is axially divided into two structural units 36 and 37, which are mounted so as to be axially displaceable relative to one another.
  • the storage takes place separately from one another.
  • More than two structural units 36, 37 which form the combustion chamber system 1 are also possible.
  • the structural units 36 and 37 are each assigned an axial section 30, 31 of the circumferential wall 3, so that the circumferential wall 3 is divided into two axial subsections 30, 31.
  • the structural units 36, 37 with the subsections 30, 31 are arranged axially one behind the other and in their transition relative to one another so as to be axially displaceable.
  • At least one downstream end 39 of the first subsection 30 is axially displaceable with respect to the second subsection 31.
  • the first structural unit 36 which is arranged further upstream, furthermore comprises the burner head 4, on the end wall 40 of which the circumferential wall 3 is attached circumferentially and from which the first section 30 of the circumferential wall 3 extends.
  • the first section 30 has an axial length such that it extends at least over a reaction zone 21 in which the rapid combustion reactions take place during operation.
  • the second structural unit 37 includes the combustion chamber outlet 35 with the conical section 38.
  • the mixed air openings 34 are also provided in the second sub-section 31 of the circumferential wall 3.
  • the two structural units 36, 37 are detachably mounted in such a way that the subsections 30, 31 are arranged directly axially one behind the other. “Detachable” means that the structural units 36, 37 can be separated or are present separately during or after dismantling.
  • a defined, axially gapless transition between the two subsections 30, 31 is achieved in that the two subsections 30, 31 overlap one another in an axial overlap region 32.
  • the inside diameter of the second subsection 31 is slightly larger than the outside diameter of the first subsection 30, so that the first subsection 30 can be pushed into the second subsection 31 during assembly.
  • the inner diameter of the second subsection 31 is selected to be larger in such a way that the two subsections 30, 31 are arranged in a contact-free manner with the formation of an annular gap 33 in the overlapping area 32 (apart from, for example, any anti-rotation means and / or guide means and / or Spacer means 381).
  • This allows simple assembly and good axial mobility with respect to one another.
  • the annular gap 33 is so wide radially that even with z. B. deformations during operation, the axial mobility to each other is maintained, but otherwise as close as possible in order to keep air leakage between the channel 84 and the combustion chamber 2 low.
  • the combustion chamber system 1 is integrated into a gas routing geometry (here the air routing geometry) of a gas turbine system, the change in length can change this geometry .
  • the combustion chamber outlet 35 with the conical section 38 is displaced axially in the direction of the turbine housing part 82, which reduces the flow cross section of the channel 84. This influences the pressure loss ratios in the gas flow and thus the ratio of the air distribution (combustion air to secondary air), which has a direct influence on the combustion process and thus the exhaust gas emissions.
  • the change in length of the combustion chamber system 1 caused by thermal expansion is largely compensated for by the axial relative movement of the subsections 30, 31 with respect to one another.
  • the first section 30 of the circumferential wall 3 pushes axially further under the second section 31 of the circumferential wall 3 to be able to compensate.
  • the overlap area 32 increases by the axial length extension, but the total length of the combustion chamber system 1 remains largely unchanged.
  • the total length varies essentially around the length expansion of the second structural unit 37. This length expansion falls due to the lower gas temperatures there (in particular also due to the admixture of mixed air) and the comparatively short length of the second structural unit 37 the end.
  • the flow cross section of the channel 84 thus remains essentially unchanged.
  • the pressure loss ratios in the flow guide and thus the ratio of the air distribution remain essentially constant. This contributes to a defined combustion process management.
  • the two structural units 36, 37 are expediently mounted separately from one another for an axially displaceable mounting of the subsections 30, 31.
  • the second structural unit 37 is mounted on the housing of the technical application surrounding it, here the micro gas turbine arrangement.
  • the second structural unit 37 in the present case has a bearing means 6 which is fastened to the outer circumference of the second partial section 31.
  • the bearing means 6 is mounted on the flange connection 83 between the two housing parts 81, 82, as a result of which the bearing means 6 can be easily mounted and the second structural unit 37 is securely mounted.
  • the bearing means 6 is designed in such a way that it can be arranged circumferentially in a gas guide section, here the channel 84, wherein the gas can pass through it.
  • the bearing means 6 is advantageously designed in such a way that it has a low flow resistance, but at the same time is sufficiently stable for secure storage.
  • the bearing means 6 has a ring structure.
  • the bearing means 6 comprises an annular outer contact section 61 for contact with the surrounding housing and an inner contact section 63 with which the bearing means 6 is attached to the second section 31 of the peripheral wall 3 and thus forms part of the second structural unit 37.
  • the contact sections 61, 63 are designed to be ring-like and preferably thin-walled for secure contact or good fastening options with a shape that is low in resistance at the same time.
  • the material thickness is at least sufficiently thick, in order to give the contact sections 61, 63 the stability required for storage.
  • the outer contact section 61 has a circumferential, radially outwardly directed projection 62 which is here axially centered. With the supernatant 62, the bearing means 6 engages z. B. into a groove formed in the flange connection 83. The bearing means 6 can be clamped between the flanges, whereby a defined positioning of the bearing means 6 and thus the second structural unit 37 is advantageously achieved. When the combustion chamber system 1 is mounted vertically, the bearing means 6 with the projection 62 could also rest on the flange of the turbine housing part 82 and be supported against it (not shown here).
  • the two contact sections 61, 63 are connected to one another in a stable manner by webs 64 extending radially (with respect to the longitudinal axis L), here six in number by way of example.
  • the bearing means 6 also acts as a radial spacer ring. This ensures a uniform radial distance between the combustion chamber system 1 and the wall 8, and thus a uniform, symmetrical flow cross section of the channel 84. This contributes to a symmetrical air flow.
  • one or more spacing means 381 can additionally be present on the second structural unit 37 in order to keep the flow cross-section of the channel 84 as constant as possible.
  • the spacing means 381 are arranged in the form of projections on the outside of the conical section 38 for contact with the wall 8. In particular, they serve to additionally fix the second structural unit 37 and to change the position of the second structural unit 37, for. B. counteract by deformations.
  • the bearing means 6 is fastened to the second structural unit 37 in the overlap region 32.
  • the overlap area 32 corresponds in its axial extent z. B. approximately the axial extent of the bearing means 6 or the inner contact section 63.
  • the overlap region 32 can also be longer, in particular in the Operation in which the overlap area 32 increases axially by the displacement due to thermal expansion.
  • the fastening of the bearing means 6 in the overlap region 32 has the advantage that the thermal load on the contact section 63 is reduced. This results in particular from the contact-free arrangement of the subsections 30, 31 with respect to one another, the annular gap and any air leakage into the combustion chamber 2 reducing the heat transfer between the combustion chamber 2 and the contact section 63.
  • the first structural unit 36 is supported in a part-optimized manner via the burner head 4, which is connected to the first section 30.
  • the bearing forces are transmitted via the end wall 40, which merges upstream into a rod-like positioning element 48 which is arranged centrally on the longitudinal axis L.
  • the positioning element 48 merges upstream into the distributor region 421 and above it into the fuel supply line 42.
  • the first structural unit 36 is fixed via the fuel supply line 42 upstream of the combustion chamber system 1 (not shown here).
  • the bearing is designed to be flow-efficient, thanks to the low-resistance shape of the end wall 4, which is conical in the direction of flow, and the central, compact cross-section arrangement and design of the positioning element 48, the distributor area 421 and the fuel supply line 42. This means that a flow-efficient, stable bearing is achieved at the same time.
  • the combustion chamber system 1 comprises an anti-rotation device 7, by means of which the two structural units 36, 37 and thus the subsections 30, 31 are mounted so as to be non-rotatable relative to one another in the circumferential direction.
  • a fixed positioning of the two structural units 36, 37 is achieved in the radial direction.
  • elements or formations in both structural units 36, 37 can be positioned in a defined manner in relation to one another in the circumferential direction.
  • this concerns z. B. the feed openings 46 of the burner head 4, which are arranged radially clearly defined to the mixed air openings 34 of the second assembly 37, z. B. so that two mixed air openings 34 each lie radially between two supply openings 46. This enables a defined, clean combustion process management.
  • the anti-rotation device 7 is formed in the overlap region 32.
  • the anti-rotation device 7 comprises an anti-rotation device 71, which in the present case is designed as a projection on the inside of the outer, here the second, partial section 31, e.g. B. in the form of a "nose", a web or pin.
  • the anti-rotation device 7 comprises a receptacle 72, which is formed here on the end 39 of the inner, first partial section 30.
  • the receptacle 72 is introduced into the end 39 of the first section 30 in the manner of an axially extending elongated recess, for example as a slot.
  • the recess is so wide that the anti-rotation means 71 can protrude, the anti-rotation means 71 having a corresponding radial height.
  • the axial length of the recess corresponds at least to the path of the expected axial displacement in which the thermal expansion results in this area.
  • the first sub-section 30 is thus movable or displaceable and radially guided with its end 39 relative to the second sub-section 31 over the entire path of thermal expansion.
  • Another advantage of the division of the combustion chamber system 1 described here is that the air conditions can be influenced with little effort. Should z. B. the combustion chamber system 1 can be used flexibly, for example with different fuels, this often requires an adjustment of the air conditions. As a result of the division of the combustion chamber system 1 described here, in particular the mixed air ratio can be adapted with little effort by exchanging the second structural unit 37.
  • Fig. 1 the air flow is indicated by arrows.
  • the air is divided according to a certain ratio into a secondary air flow and a combustion air flow.
  • the secondary air is conducted along the end wall 40 into the channel 84, the flow guidance being designed to be low in resistance due to the conical tapering of the end wall 40.
  • the secondary air flowing around the combustion chamber 10 cools the end wall 40 and the peripheral wall 3, in particular convectively.
  • the mixed air openings 34 part of the secondary air enters the combustion chamber 10 as mixed air.
  • the remainder flows further in the direction of the exhaust gas area 5.
  • the ratio of the division of total air (or combustion air) to secondary air and mixed air to remaining air in the secondary air is determined by the geometry of the Flow guidance, in particular the formation of the mixed air openings 34 and the channel 84, determined.
  • the remaining air enters the air / fuel nozzle assemblies 41 as combustion air through the air feeds 45.
  • the combustion air fuel is added coaxially to the main flow direction into the feed nozzles 47 immediately upstream of the cross-sectional constrictions, so that the combustion air with the added fuel is generated via the acceleration paths formed by the cross-sectional constrictions is accelerated.
  • a partial mixing of combustion air and fuel takes place up to the outlet openings 46. This mixture is now fed to the combustion chamber 10, where it ignites and is burned in the reaction zone 21.
  • a recirculation flow is formed with an internal recirculation of the burned exhaust gas, by means of which part of the burned exhaust gas is returned to an area upstream of the combustion zone and mixes with the still unburned fresh gases (in the figure through Arrows indicated). In this way the combustion temperature is reduced.
  • the feed openings 46 which are arranged relatively far outward, are beneficial an essentially inwardly directed recirculation so that the returning exhaust gases in the inner recirculation zone 21, surrounded by the annular combustion zone, flow back, ie closer to the longitudinal axis L than the burning gases.
  • the essentially internal recirculation achieves a compact flow guide, which in turn allows the combustion chamber 10 to be designed to be compact, in particular with regard to its length.
  • the burner head 4 and the combustion chamber 10 are designed in such a way that the reaction zone 21 and recirculation zone 22 are located upstream of the mixed air openings 34.
  • the mixed air added through the mixed air openings 34 essentially mixes with the exhaust gas flowing in the downstream direction into the exhaust gas region 5 and cools it.
  • the burner head 4 and the combustion chamber 10 are, for. B. designed such that there is a recirculation rate (mass ratio of recirculated exhaust gas to added fresh gases) of less than 1.5, preferably less than 1, for example 0.4 to 0.8. This recirculation rate allows stable, clean combustion over a wide operating range.
  • the specified combustion process management enables low-emission, stable and efficient operation of the micro gas turbine arrangement.
  • the design of the combustion chamber system 1 according to the invention contributes to the advantageous operation in that the ratios according to the design between the air flows can be adhered to more precisely.

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennkammersystem, insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbinenanlage, mit einer um eine Längsachse umlaufenden Umfangswandung, die einen Brennraum umgrenzt, in dem im Betrieb eine Reaktionszone ausgebildet ist, mit einem eingangsseitig des Brennraums angeordneten Brennerkopf zur Zugabe von Brennstoff und Oxidator in den Brennraum, der zumindest eine Brennstoffzufuhr zur Zugabe von Brennstoff in den Oxidator umfasst, und mit einem ausgangsseitig des Brennraums angeordneten Brennraumauslass. Ferner betrifft die Erfindung eine Mikrogasturbinenanordnung mit einem Brennkammersystem.
  • Derartige Brennkammersysteme werden beispielsweise in Gasturbinenanlagen eingesetzt und sind beispielsweise aus der EP 1 497 589 B1 und der EP 1 995 515 A1 bekannt. Im Allgemeinen zielt die Entwicklung solcher Brennkammersysteme darauf ab, den Schadstoffausstoß zu optimieren und einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Insbesondere bei Mikrogasturbinenanlagen (in einer Leistungsklasse von kleiner 1 MW) soll dabei aufgrund entsprechender Anwendungsgebiete z.B. im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung ein weiter Betriebsbereich, bei Voll- und Teillast, abgedeckt werden. Zudem wird eine hohe Flexibilität z.B. bzgl. des Betriebs mit unterschiedlichen Brennstoffen angestrebt.
  • Ein spezielles bekanntes Konzept verwendet dabei eine Verbrennungsprozessführung, bei der im Brennraum eine ausgeprägte, insbesondere innere, Rezirkulationszone ausgebildet ist, basierend auf dem sogenannten FLOX®-Prinzip ("Flameless Oxidation"). Durch die Rezirkulation werden bereits verbrannte Abgase innerhalb des Brennraums zurückgeführt und der zugeführten Frischluft in größerer Menge beigemischt. Aktuelle Brennkammersysteme basierend auf dem FLOX®-Prinzip sind beispielsweise in "Zanger, J., Monz, T, Aigner, M., Experimental Investigation of the Combustion Characteristics of a double-staged FLOX®-based Combustor on an Atmospheric and a Micro Gas Turbine Test Rig, Proceedings of ASME Turbo Expo 15.-19. Juni 2015" und "Li, G., Gutmark, E. J., Stankovic, D., Overman, N., Cornwell, M., Fuchs, L. und Milosavljevic, V., Experimental Study of Flameless Combustion in Gas Turbine Combustors, 44th AIAA 9.-12. Januar 2006" veröffentlicht.
  • Für einen stabilen und emissionsarmen Betrieb in dem Gesamtsystem einer technischen Anwendung, insbesondere einer (Mikro-) Gasturbinenanlage, sind definierte Verhältnisse in dem und um das Brennkammersystem entscheidend. Dabei kann beispielsweise die Einbauposition bzw. Lage des Brennkammersystems in einem Turbinengehäuse Einfluss nehmen, insbesondere, wenn die Außenbegrenzung des Brennkammersystems in die Geometrie von Gasführungswegen integriert ist. Dies können z. B. Kühlluftkanäle um das Brennkammersystem sein. Verändert sich die Positionierung bzw. Lage des Brennkammersystems bezüglich des Gehäuses, beispielsweise durch Wärmeausdehnung im Betrieb, kann dies die Geometrie beeinflussen und die Versorgung des Brennkammersystems mit Brenngas (Oxidator und/oder Brennstoff) verändern. Dies kann sich wiederum negativ auf den Verbrennungsprozess, insbesondere die Stabilität und/oder Abgasemissionen, auswirken.
  • DE 10 2015 226 079 A1 zeigt eine Brennkammervorrichtung mit einem zweiteilig ausgebildeten Flammrohr. Der erste Flammrohrteil und der zweite Flammrohrteil sind relativ zueinander verschiebbar. Die beiden Flammrohrteile überlappen in einen Überlappungsabschnitt miteinander.
  • In der DE 10 2012 216 080 A1 ist eine Brennkammervorrichtung basierend auf dem FLOX®-Prinzip angegeben.
  • Eine weitere Brennkammervorrichtung ist in der GB 1 420 202 A gezeigt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennkammersystem bereitzustellen, welches auch im Betrieb weitgehend definiert in einer technischen Anwendung positioniert ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Mikrogasturbinenanordnung mit einem derartigen Brennkammersystem bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird für das Brennkammersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass das Brennkammersystem in zumindest eine erste und eine zweite Baueinheit unterteilt ist, die in eingebautem Zustand in einer technischen Anwendung axial hintereinander angeordnet sind, wobei sich die zweite Baueinheit zumindest bereichsweise stromab der ersten Baueinheit erstreckt, und dass die Baueinheiten axial relativ zueinander verschiebbar gelagert sind.
  • Für die Mikrogasturbinenanordnung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Dieser betrifft eine Mikrogasturbinenanordnung mit einem erfindungsgemäßen Brennkammersystem, mit einer stromab des Brennkammersystems angeschlossenen Turbine und mit einem Gehäuse, das zumindest das Brennkammersystem mittels einer Wandung umgibt, wobei zwischen einem Bereich der Wandung und dem Brennkammersystem zumindest ein Kanal zur Gasführung, insbesondere zur Luftführung, gebildet ist.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird eine Teilung des Brennkammersystems erreicht, die insbesondere senkrecht zur axialen Richtung vorgenommen sein kann. Die zweite Baueinheit schließt z. B. stromab an die erste Baueinheit an. Im Übergang überlappen die Baueinheiten zumindest bereichsweise. Die axiale Verschiebbarkeit ist derart, dass zumindest das stromab weisende Ende der ersten Baueinheit, insbesondere des ersten Teilabschnitts der Umfangswandung, gegenüber der zweiten Baueinheit, insbesondere dem zweiten Teilabschnitt der Umfangswandung, axial verschiebbar sind.
  • Diese Ausbildung bewirkt, dass Änderungen in der axialen Position einer, z.B. der ersten, Baueinheit, beispielsweise aufgrund von Längenänderung durch Wärmeausdehnung der Umfangswandung, innerhalb des Brennkammersystems kompensiert werden können. Die Positions- bzw. Längenänderung wird nicht auf die anschließende Baueinheit übertragen, da die axialen Bewegungen der Baueinheiten voneinander entkoppelt sind. Positions-, insbesondere Längenvariationen des Brennkammersystems können so minimiert werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Brennkammersystem in eine Innengeometrie einer technischen Anwendung integriert ist, wobei eine genaue Positionierung erforderlich ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das Brennkammersystem eine Teilbegrenzung eines Kanals zur Gasführung bildet und Längenänderungen des Brennkammersystems den Strömungsquerschnitt des Kanals beeinflussen würden, was sich wiederum auf den Verbrennungsprozess auswirken kann. Die definierte Positionierung trägt damit zu einer kontrollierten, sauberen und stabilen Verbrennung im Betrieb bei.
  • Einfache Anpassungsmöglichkeiten des Brennkammersystems beispielsweise an einen Betrieb mit unterschiedlichen Brennstoffen, ergeben sich, wenn in eingebautem Zustand die Baueinheiten lösbar (axial) hintereinander angeordnet sind. Die Baueinheiten können dann bei der oder nach der Demontage des Brennkammersystems separat voneinander vorliegen. Auf diese Weise können Baueinheiten, die für eine andere Betriebsweise anders ausgestaltet sein sollten, einzeln ausgetauscht werden, ohne dass das gesamte Brennkammersystem getauscht werden muss. Dies kann beispielsweise Elemente betreffen, die einen Einfluss auf eine Aufteilung des Oxidatorstroms haben, wie etwa Mischluftöffnungen in einem Teilabschnitt der Umfangswandung.
  • Die erste Baueinheit umfasst einen ersten Teilabschnitt der Umfangswandung und die zweite Baueinheit umfasst einen zweiten Teilabschnitt der Umfangswandung. Die Teilung des Brennkammersystems in die Baueinheiten ist angrenzend an einen oder zwischen zwei Teilabschnitten angeordnet. Die Teilabschnitte verlaufen z. B. jeweils umlaufend um die Längsachse, so dass sich axial hintereinander angeordnete Rohrabschnitte ergeben. In einer einfach zu fertigenden Ausbildung kann die Teilung beispielsweise senkrecht zur axialen Richtung (d. h. zur Längsachse) vorgenommen sein.
  • Die hintereinander angeordneten Baueinheiten überlappen in einem axialen Überlappungsbereich miteinander, wobei insbesondere der erste Teilabschnitt mit der zweiten Baueinheit, insbesondere mit dem zweiten Teilabschnitt, überlappt. Dazu ist (zumindest in dem Überlappungsbereich) der innere Umfang der einen, äußeren Baueinheit bzw. des Teilabschnitts größer als der äußere Umfang der anderen, inneren Baueinheit bzw. des Teilabschnitts und ist in dem Überlappungsbereich über die innere Baueinheit bzw. den inneren Teilabschnitt geschoben. Die genaue Länge des Überlappungsbereichs kann sich je nach axialer Verschiebung der beiden Teilabschnitte zueinander ändern. Bei einer rohrartigen Ausgestaltung der Umfangswandung liegt in dem Überlappungsbereich z. B. eine Rohr-in-Rohr-Anordnung vor. So ist auf einfache Weise ein definierter, einfach zu fertigender Übergang zwischen zwei Baueinheiten bzw. Teilabschnitten erhältlich.
  • Eine stabile, von der ersten Baueinheit unabhängige Lagerung für eine präzise Festlegung der zweiten Baueinheit wird dadurch erreicht, dass die zweite Baueinheit an ihrem Außenumfang zumindest ein Lagermittel aufweist, das dazu ausgebildet ist, die zweite Baueinheit an einem das Brennkammersystem umgebenden Gehäuse (z. B. dem Übergang zwischen zwei Gehäuseteilen, wie einem Druck- und einem Turbinengehäuseteil) zu lagern.
  • Eine Verringerung der Temperaturbelastung des Lagermittels wird dadurch erreicht, dass das Lagermittel in dem Überlappungsbereich, insbesondere zwischen dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt, angeordnet ist. In diesem Bereich herrschen z. B. aufgrund einer berührungsfreien Anordnung der beiden Baueinheiten zueinander und einer ggf. vorhandenen Luftleckage in die Brennkammer geringere Temperaturen an der Außenseite der Umfangswandung. Das Lagermittel kann somit weniger temperaturfest ausgelegt sein, was in der Regel mit geringeren Fertigungskosten und/oder -aufwand einhergeht.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante sind die Baueinheiten, insbesondere die Teilabschnitte, in dem Überlappungsbereich zumindest teilweise berührungsfrei zueinander angeordnet. Dadurch ergibt sich ein radiales Spiel zwischen den Baueinheiten bzw. Teilabschnitten in Art eines kleinen Spalts. Bei einer rohrartigen Ausgestaltung liegt dieser z.B. als Ringspalt vor. Ggf. können berührende Elemente vorhanden sein, z. B. Abstandshaltemittel, um das Spaltmaß zu halten. Durch eine derartige Ausbildung wird eine einfache, möglichst reibungsarme Montage und Beweglichkeit der Teilabschnitte zueinander ermöglicht. Spannungszustände im Material bei einer axialen Bewegung zueinander werden verringert bzw. vermieden. Der Spalt ist dabei möglichst klein, um Leckagen zwischen Brennraum und Außenbereich gering zu halten, jedoch vorzugsweise ausreichend groß, um auch im Betrieb, z. B. unter Wärmeausdehnung, eine unbeeinträchtigte Beweglichkeit zu gewähren.
  • Vorzugsweise umfasst das Brennkammersystem zumindest eine Verdrehsicherungseinrichtung, mittels derer die hintereinander angeordneten Baueinheiten (insbesondere mit aufeinanderfolgenden Teilabschnitten) in Umfangsrichtung verdrehsicher zueinander gelagert sind. Dies ermöglicht eine genaue Positionierbarkeit der Baueinheiten bzw. der Teilabschnitte in Umfangsrichtung zueinander. So können Elemente des Brennkammersystems, die unterschiedlichen Teilabschnitten bzw. Baueinheiten zugeordnet sind, in Umfangsrichtung definiert zueinander angeordnet sein. Ein Beispiel bilden Mischluftöffnungen, die in definierter Positionierung zu Zufuhrdüsen des Brennerkopfes angeordnet werden. Diese Ausbildung trägt zu einem optimierten, kontrollierten Verbrennungsprozess bei.
  • In einer einfach zu fertigenden und teileoptimierten Ausgestaltungsvariante ist die Verdrehsicherungseinrichtung in dem Überlappungsbereich ausgebildet, wobei eine der beiden Baueinheiten außen und eine innen angeordnet ist. Dabei umfasst die Verdrehsicherungseinrichtung ein Verdrehsicherungsmittel, das insbesondere auf der Innenseite der im Überlappungsbereich äußeren Baueinheit, insbesondere des äußeren Teilabschnitts, ausgebildet ist und weiterhin eine Aufnahme, die insbesondere an einem stromabweisenden Ende der inneren Baueinheit, insbesondere des inneren Teilabschnitts ausgebildet ist. Das Verdrehsicherungsmittel ist in der Aufnahme axial führbar. Das Verdrehsicherungsmittel ist insbesondere als Vorsprung, z. B. in Form einer "Nase", eines Stiftes oder eines Stegs ausgebildet. Die Aussparung erstreckt sich vorzugsweise axial längs ausgehend von dem stromab weisenden Ende in die innere Baueinheit, z. B. als ein Schlitz in den inneren Teilabschnitt. Die Aufnahme ist derart dimensioniert, dass das Verdrehsicherungsmittel hineinragen kann. Die Verdrehsicherungseinrichtung lässt eine axiale Relativbewegung zu, verhindert jedoch ein Verdrehen.
  • In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst die erste Baueinheit den Brennerkopf sowie den ersten Teilabschnitt der Umfangswandung, die insbesondere an dem Brennerkopf befestigt ist. Mit dem ersten Teilabschnitt erstreckt sich die erste Baueinheit axial über den Bereich der Reaktionszone hinweg. Alternativ oder zusätzlich umfasst die zweite Baueinheit den Brennraumauslass. In und unmittelbar stromab der Reaktionszone ergeben sich im Betrieb hohe Temperaturen, die eine verhältnismäßig große Wärmeausdehnung des ersten Teilabschnitts bewirken. Die dadurch verursachte Längenänderung des ersten Teilabschnitts kann aufgrund der axialen Verschiebbarkeit durch Bewegung relativ zu dem zweiten Teilabschnitt kompensiert werden und führt daher nicht zu einer Längenänderung des gesamten Brennkammersystems. Dies ermöglicht eine weitgehend definierte Lage bzw. Positionierung des Brennkammersystems über die gesamte Länge auch im Betrieb. Auswirkungen der Längenausdehnung auf eine positionierungsabhängige Geometrie in der Peripherie des Brennkammersystems, wie z. B. der eines Gasleitungskanals, können minimiert werden. Von derartigen Geometrien abhängige Parameter, beispielsweise die Aufteilung des Oxidators auf unterschiedliche Strömungsführungsgeometrien (d. h. die Verhältnisse der Luftströme) und/oder die lokalen Luft/Brennstoff-Verhältnisse in der Brennkammer, können auch im Betrieb im Wesentlichen konstant gehalten werden, was zu einem kontrollierten Verbrennungsprozess beiträgt.
  • Vorzugsweise erstreckt sich der erste Teilabschnitt möglichst weit in Richtung Brennkammerauslass, sodass ein möglichst großer Teil der Längenänderung durch Wärmeausdehnung des Brennkammersystems kompensiert werden kann. Der erste Teilabschnitt kann so z. B. bis zu einer axialen Position reichen, an dem die Temperatur des Abgases z. B. durch Beimischung von Sekundärluft deutlich reduziert wird, was auch die Wärmeausdehnung reduziert.
  • Zweckmäßigerweise kann die Länge des ersten Teilabschnitts bzw. die Teilung so gewählt werden, dass Elemente bzw. Ausgestaltungen des Brennkammersystems stromab der Reaktionszone, die bei unterschiedlichen Betriebsweisen anzupassen sind (z. B. Mischluftöffnungen), der zweiten Baueinheit zugeordnet sind. Auf diese Weise ergeben sich zusätzlich vorteilhafte einfache Anpassungsmöglichkeiten des Brennkammersystems. Es kann auch auf einen zweiten Teilabschnitt der Umfangswandung verzichtet werden und sich der erste Teilabschnitt in einen dafür vorgesehenen Bereich in der zweiten Baueinheit, z. B. an dem Brennraumauslass, ausdehnen.
  • Vorzugsweise ist das Lagermittel zur Anordnung in einem Gasführungsabschnitt, insbesondere in einem Kanal, ausgebildet, wobei es von Gas passierbar ist. Der Gasführungsabschnitt ist zwischen dem Brennkammersystem und dem umgebenden Gehäuse einer technischen Anwendung ausgebildet. "Von Gas passierbar" heißt, dass das Lagermittel strömungsgünstig mit einer geringen Versperrwirkung ausgebildet ist, wobei es z. B. weniger als die Hälfte des Strömungsquerschnitts versperrt. So kann es vorteilhafterweise zugleich als (radiales) Distanzhaltemittel wirken, das eine definierte Querschnittsfläche des Kanals sicherstellt und so einen gleichmäßigen Gasstrom ermöglicht. Bei einer zylindrischen Ausbildung von Umfangswandung und umgebendem Gehäuse ist insbesondere ein ringartiges Element zweckmäßig, da es eine hohe Stabilität aufweist und verhältnismäßig einfach, z. B. als Dreh- und/oder Frästeil, zu fertigen ist.
  • Eine solche vorteilhafte gaspassierbare, stabile Ausbildung des Lagermittels ergibt sich z. B., wenn das Lagermittel (insbesondere ringförmig) umlaufend ausgebildet ist, mit einem umlaufenden äußeren Anlageabschnitt zur Anlage an einem das Brennkammersystem umgebenden Gehäuse und mit einem umlaufenden inneren Anlageabschnitt, der an der zweiten Baueinheit, insbesondere an dem zweiten Teilabschnitt, angeordnet, z. B. befestigt, ist und wenn die beiden Anlageabschnitte über radial angeordnete Stege miteinander Gas passierbar verbunden sind. Der äußere Anlageabschnitt kann für eine einfache axiale Fixierung an dem Gehäuse einen umlaufenden, radial nach außen gerichteten Überstand aufweisen, der z. B. in einer Nut einer Flanschverbindung eingreifen kann.
  • Eine teile- und strömungsoptimierte Lagerung der ersten Baueinheit ergibt sich, wenn die erste Baueinheit über den Brennerkopf (bzw. zumindest Teilen davon) und über eine Brennstoffzuleitung gelagert ist. Auf diese Weise werden großteils bereits vorhandene Teilkomponenten als Lagerung benutzt, die in der Regel bereits strömungsoptimiert ausgelegt sind. Insbesondere bei Mikrogasturbinen ist diese Ausgestaltung von Vorteil, da dort die Brennstoffzuleitung verhältnismäßig groß dimensioniert sein kann relativ zu der ersten Baueinheit und damit eine gute Stabilität für deren stabile Lagerung aufweist.
  • Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das Brennkammersystem derart ausgebildet ist, dass im Betrieb von einem Gesamt-Oxidatorstrom ein Sekundärstrom an Oxidator abgezweigt und über den Brennerkopf in einen Kanal zwischen der Umfangswandung und einer das Brennkammersystem umgebenden Wandung gelenkt wird. Die Wandung ist insbesondere einem das Brennkammersystem umgebenden Gehäuse zugeordnet. Der Sekundärstrom wird z. B. zu Kühlzwecken eingesetzt, sowohl konvektiv durch Vorbeiströmen an der Umfangswandung als auch zur Kühlung des Abgases durch Beimischung hinter der Reaktionszone durch Mischluftöffnungen. Das Verhältnis zwischen Gesamt-Oxidatorstrom und Sekundärstrom wird in der Regel über die Geometrie und einem damit verbundenen bestimmten Druckverlustverhältnis ausgelegt. Änderungen in der Länge des Brennkammersystems können dieses Verhältnis über Geometrieänderungen des Kanals beeinflussen, was wiederum den Verbrennungsprozess beeinflussen kann. Dies kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Brennkammersystems verringert bzw. vermieden werden. Zugleich kann das Verhältnis gezielt geändert werden durch Änderung der Geometrie der Luftzufuhr des Kanals und/oder von vorhandenen Mischluftöffnungen durch die einfache Austauschbarkeit der zweiten Baueinheit.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn in dem zweiten Teilabschnitt der Umfangswandung, insbesondere umlaufend, Mischluftöffnungen angeordnet sind, über die im Betrieb stromab der Reaktionszone Oxidator des Sekundärstroms in den Brennraum strömt. Durch die Beimischung von Oxidator wird das Abgas vor Eintritt in die Turbine abgekühlt, was die thermische Belastung der Turbine wesentlich reduziert und auch die Wärmeausdehnung der Umfangswandung ab der Position der Mischluftöffnungen verringern kann. Wenn die Mischluftöffnungen dem zweiten Teilabschnitt zugeordnet sind, können die Mischluftöffnungen auf einfache Weise durch Austausch lediglich der zweiten Baueinheit geändert werden, z. B., wenn eine andere Betriebsweise ein anderes Verhältnis von Gesamt- zu Sekundärstrom erfordert.
  • Ein besonders vorteilhaftes Brennkammersystem ergibt sich, wenn das Brennkammersystem zum Betrieb mit einer ausgeprägten inneren Rezirkulationszone ausgebildet ist, wobei insbesondere Zufuhrdüsen zur Zufuhr von Oxidator und/oder Brennstoff über den Brennerkopf ringförmig umlaufend in der Stirnwand des Brennerkopfes angeordnet sind. Vorzugsweise befinden sich die Zufuhrdüsen radial im Außenbereich, näher an der Umfangswandung als an der Längsachse, vorzugsweise im äußeren Drittel. Die Umfangswandung ist dabei für eine symmetrische Verbrennung z. B. zylindrisch umlaufend ausgebildet. Brennkammersysteme dieser Art sind beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2016 118 632.5, eingereicht beim DPMA am 30.09.2016 , und in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2016 118 633.3, eingereicht beim DPMA am 30.09.2016 , angegeben.
  • Eine strömungsgünstige Ausbildung des Brennerkopfes und damit des Brennkammersystems wird erreicht, wenn die Stirnwand zumindest teilweise gegen die Anströmrichtung des Oxidators zulaufend ausgebildet ist. Dabei verjüngt sich die Stirnwand beispielsweise konisch und läuft insbesondere symmetrisch auf der Längsachse zusammen. Dadurch wird der Anströmverlust durch den Oxidator, der über ein Plenum in Richtung der Brennkammer bzw. um die Brennkammer geleitet wird, reduziert. Dies trägt zur Strömungsoptimierung des Brennkammersystems und damit zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades einer Anlage bei, in der das Brennkammersystem zum Einsatz kommt. Auch die Abzweigung eines Sekundärstromes aus dem Oxidator und dessen Verteilung auf einen Kanal um die Umfangswandung kann dadurch strömungseffizient erfolgen.
  • Vorzugsweise ist die Stirnwand als Wandung anstelle aus Vollmaterial ausgebildet. Vorhandene Zufuhrdüsen in die Brennkammer sind an der Stirnwand befestigt und ragen dabei zumindest stromauf in das Plenum, vorzugsweise auch stromab in den Brennraum hinein. Dadurch kann die Materialdicke der Stirnwand möglichst gering sein, jedoch derart, dass eine ausreichende Stabilität auch bei für Brennkammersysteme typischer thermischer Belastung gewährleistet ist. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige, möglichst dünnwandige Stirnwand zur Stabilität des Verbrennungsprozesses beiträgt: Durch die geringe Masse ergibt sich eine geringe thermische Trägheit. So werden stationäre Zustände im Brennkammersystem, mit stabilem Verbrennungsbetrieb, schneller erreicht.
  • Eine kompakte erste Baueinheit mit einer stabilen Lagerung ist dadurch erhältlich, dass die Stirnwand stromauf in ein Positionierelement übergeht, das auf der Längsachse angeordnet ist, und dass das Positionierelement stromauf in einen Verteilerbereich und darüber in eine Brennstoffzuleitung übergeht. Dadurch ist zugleich eine symmetrische, teileoptimierte und strömungseffiziente Ausbildung des Brennkammersystems erreichbar. Die Symmetrie begünstigt dabei einen optimierten Verbrennungsprozess mit geringem Schadstoffausstoß.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Brennkammersystem mit einer ersten und einer zweiten Baueinheit, denen jeweils ein Teilabschnitt einer Umfangswandung zugeordnet ist und
    Fig. 2
    eine Ansicht des Brennkammersystems gemäß Fig. 1 von vorne in Richtung Brennerkopf und Lagermittel.
  • Fig. 1 zeigt in einer Schnittdarstellung ein Brennkammersystem 1 mit einem Brennerkopf 4 und einer Brennkammer 10. Das Brennkammersystem 1 ist zur Verbrennungsprozessführung nach dem sogenannten "FLOX®"-Prinzip ausgelegt, bei dem sich im Betrieb eine ausgeprägte innere Rezirkulationszone 22 ausbildet. Durch die erfindungsgemäße Weiterbildung des derartigen Brennkammersystems 1 lassen sich die bereits günstigen Emissionswerte weiter optimieren bzw. stabilisieren. So wird in Zusammenwirken mit den nachfolgend beschriebenen Ausbildungen, insbesondere auch des Brennerkopfes 4, ein effizient, stabil und emissionsarm zu betreibendes Brennkammersystem 1 bereitgestellt.
  • Die Brennkammer 10 umfasst einen Brennraum 2, der von einer Umfangswandung 3 der Brennkammer 10 umgrenzt ist. Die Umfangswandung 3 ist zylindrisch um eine Längsachse L angeordnet, entlang derer sich das Brennkammersystem 1 axial erstreckt. Im ausgangsseitigen Endbereich der Brennkammer 10 sind rundum in der Umfangswandung 3 Mischluftöffnungen 30 zum Zuführen von Mischluft in das verbrannte, aus der Brennkammer 10 strömende Abgas eingebracht. Diese sind vorliegend in einer Reihe ringartig, radial gleichmäßig um die Umfangswandung 3 verteilt und im Einzelnen als Kreisbohrungen ausgeführt, wobei andere Öffnungsformen und auch andere Anordnungen möglich sind.
  • Der Brennerkopf 4 ist eingangsseitig des Brennraums 2 angeordnet und weist für die Zugabe von zu verbrennenden Frischgasen (d. h. Oxidator, hier weiterhin als "(Brenn-) Luft" bezeichnet, und Brennstoff) mehrere, hier beispielhaft sechs, Zufuhrdüsen 47 mit in den Brennraum 2 mündenden Zufuhröffnungen 46 auf. Die Zufuhröffnungen 46 sind gleichmäßig umlaufend auf einem gedachten Ring in einer eingangsseitigen Stirnwand 40 angeordnet. Der Ring, insbesondere Kreisring, auf dem die Zufuhröffnungen 46 angeordnet sind, befindet sich im äußeren Bereich der Stirnwand 40, sodass der radiale Abstand der Zufuhröffnungen 46 (bezüglich ihrer Mittelpunkte) zu der Umfangswandung 3 geringer ist als zu der Längsachse L. Das Frischgas "Luft" kann auch durch einen anderen Oxidator gebildet sein und/oder Gaszusätze aufweisen, wie etwa Abgas, oder thermisch verwertbare Kohlenwasserstoffverbindungen. Als Brenngas wird z. B. Erdgas eingesetzt, oder ein anderer, insbesondere gasförmiger, Brennstoff.
  • Der Brennerkopf 4 umfasst neben den Zufuhrdüsen 47 und der Stirnwand 40, die eingangsseitig den Brennraum 2 begrenzt, eine Brennstoffzufuhr zur Zugabe von Brennstoff in die Brennluft. Die Stirnwand 40 ist entgegen der Anströmrichtung bezüglich der Brennluft konisch verjüngt, um den Anströmverlust im Betrieb gegenüber einer flachen Ausführung zu verringern.
  • Die Brennstoffzufuhr umfasst vorliegend mehrere Brennstoffdüsen 44, die hier jeweils einer der Zufuhrdüsen 47 zur Bildung von Luft-/ Brennstoffdüsenanordnungen 41 zugeordnet sind. Dabei ragt je eine Zufuhrdüse 47 mit einem, hier durch einen Zylinderabschnitt gebildeten, stromaufseitigen Ende in ein Plenum 49 hinein und bildet so eine Luftzufuhr 45. Stromab der Luftzufuhr 45 verjüngt sich der Querschnitt der Zufuhrdüse 47, hier des Zylinderabschnitts, zur Bildung einer Beschleunigungsstrecke, hier über einen konischen axialen Bereich, und ragt mit einem verjüngten, stromabseitigen Abschnitt durch die Stirnwand 40 in die Brennkammer 10 hinein. Der in die Brennkammer 10 ragende Abschnitt ist ebenfalls zylinderförmig ausgebildet, kann aber auch eine andere Form aufweisen. Die Zufuhrdüsen 47 erstrecken sich entlang von Mittellängsachsen M, die parallel zur Längsachse L ausgerichtet sind, zur axialen Zufuhr des teilvorgemischten Brennstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer 10. Möglich ist auch eine nicht-vorgemischte oder technisch vollständig vorgemischte Zugabe der Frischgase, wobei der Brennerkopf 4 entsprechend ausgelegt ist.
  • In jeweils eine Zufuhrdüse 47 ragt eine Zweigleitung 43 einer fingerartigen Leitungsanordnung hinein. Dabei gehen die Zweigleitungen 43 fingerartig von einer zentralen Brennstoffzuleitung 42 ab, wobei sie eine gewisse Leitungslänge, beispielsweise mehr als dreimal so lang wie der Leitungsaußendurchmesser, aufweisen. Für eine genaue, symmetrische Zuführung des Brennstoffes von der zentralen Brennstoffzuleitung 42 radial mittig in die Zufuhrdüsen 47 sind die Zweigleitungen 43 mit einem Richtungswechsel, hier für eine günstige Strömungsführung gebogen, ausgeführt, wobei der Winkel α der Biegungen größer 90° und weniger 180° beträgt. Je eine Zweigleitung 43 mündet in einer Brennstoffdüse 44, die unmittelbar stromauf des verjüngten Abschnitts, mit einer Mündung unmittelbar zu Beginn der Beschleunigungsstrecke, positioniert ist. Der Brennstoff kann so koaxial der einströmenden Brennluft zugegeben werden, wobei unmittelbar stromab der Brennstoff-Zugabeposition die Brennluft durch die Querschnittsverengung beschleunigt wird. Bis zu der Zufuhröffnung 46 kann eine (Teil-) Vormischung von Brennstoff und Brennluft stattfinden. Neben den Brennstoffdüsen 44 umfasst die Brennstoffzufuhr weiterhin einen zentralen, symmetrisch auf der Längsachse L angeordneten Verteilerbereich 421 und die davon abgehenden und in die Brennstoffdüsen 44 mündenden Zweigleitungen 43. Die Zweigleitungen 43 werden über den Verteilerbereich 421 und eine Brennstoffzuleitung 42 mit Brennstoff gespeist. So ergibt sich eine symmetrische Anordnung der Brennstoffzufuhr, bei der nicht explizit ein Brennstoffplenum vorgesehen ist. Dadurch kann auf einen hohen Druckverlust zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffes, wie in der Regel bei Ausführungen mit Brennstoffplenum vorgesehen, verzichtet werden.
  • Der Brennerkopf 4 und die Umfangswandung 3 können als Montagehilfe eine radiale Positioniereinheit aufweisen (hier nicht gezeigt). Diese kann z.B. durch einen nasenartigen Vorsprung im Außenbereich der Stirnwand 4 und eine komplementäre Aufnahme in der Umfangswandung 3 gebildet sein. Die Aufnahme ist z. B. so ausgebildet und positioniert, dass der Vorsprung bei der Montage von Brennerkopf 4 und Umfangswandung 3 eingreift. Diese Ausbildung erleichtert bei der Erstmontage des Brennkammersystems 1, bei der der Brennerkopf 4 und die Umfangswandung 3 aneinander befestigt werden, eine definierte Positionierung dieser beiden Teile zueinander in Umfangsrichtung.
  • An ihrem stromab gelegenen Ende weist das Brennkammersystem 1 einen Brennraumauslass 35 auf, mittels dem das Brennkammersystem 1 in eine Abgasleitung (hier nicht dargestellt) eines Abgasbereichs 5 übergeht. Über die Abgasleitung wird das Abgas im Betrieb beispielsweise einer Turbine zugeführt. Der Brennraumauslass 35 weist einen konischen Abschnitt 38 auf, der zur strömungsgünstigen Querschnittsreduktion von der Umfangswandung 3 auf die Abgasleitung vorhanden ist. Der konische Abschnitt 38 kann fest, z. B. einteilig mit der Umfangswandung 3 verbunden sein. Auf den konischen Abschnitt 38 kann auch verzichtet werden.
  • Das Brennkammersystem 1 ist in einem Gehäuse einer technischen Anwendung montiert, dessen Wandung 8 in Fig. 1 teilweise schematisch angedeutet ist. Insbesondere kann dies das Gehäuse einer Mikrogasturbinenanordnung sein, z.B. mit einem Druckgehäuseteil 81, das einen Großteil des Brennkammersystems 1 beherbergt und mit einem Turbinengehäuseteil 82, die über eine Flanschverbindung 83 (hier angedeutet) verbunden sind. Zwischen der Wandung 8 und der Außenseite der Umfangswandung 3 ist ein Kanal 84 zur Luftführung gebildet. Der Kanal 84 dient der Sekundärluftführung, die sich im Betrieb aus dem Gesamtluftstrom des Plenums 49 stromauf der Stirnwand 40 abteilt. Die Wandung 8 läuft im Bereich des konischen Abschnitts 38 in einer, hier konischen, Querschnittsverengung zusammen. Wie Fig. 1 erkennen lässt, hängt der Strömungsquerschnitt des Kanals 84 im Bereich der Querschnittsverengung u. a. von der axialen Länge des Brennkammersystems 1 ab.
  • Gemäß einem Kernaspekt der Erfindung ist das Brennkammersystem 1 axial in zwei Baueinheiten 36 und 37 unterteilt, die relativ zueinander axial verschiebbar gelagert sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Lagerung getrennt voneinander. Möglich sind auch mehr als zwei Baueinheiten 36, 37, die das Brennkammersystem 1 bilden. Den Baueinheiten 36 und 37 ist jeweils ein axialer Teilabschnitt 30, 31 der Umfangswandung 3 zugeordnet, sodass die Umfangswandung 3 in zwei axiale Teilabschnitte 30, 31 unterteilt ist. Die Baueinheiten 36, 37 sind mit den Teilabschnitten 30, 31 axial hintereinander und in ihrem Übergang relativ zueinander axial verschiebbar angeordnet. Dabei ist zumindest ein stromab weisendes Ende 39 des ersten Teilabschnitts 30 gegenüber dem zweiten Teilabschnitt 31 axial verschiebbar. Die erste, weiter stromauf angeordnete Baueinheit 36 umfasst weiterhin den Brennerkopf 4, an dessen Stirnwand 40 die Umfangswandung 3 umlaufend befestigt ist und von der aus sich der erste Teilabschnitt 30 der Umfangswandung 3 erstreckt. Der erste Teilabschnitt 30 weist axial eine derartige Länge auf, dass er sich zumindest über eine Reaktionszone 21 hinweg erstreckt, in der im Betrieb die schnellen Verbrennungsreaktionen stattfinden. Die zweite Baueinheit 37 umfasst neben dem zweiten Teilabschnitt 37 den Brennraumauslass 35 mit dem konischen Abschnitt 38. In dem zweiten Teilabschnitt 31 der Umfangswandung 3 sind weiterhin die Mischluftöffnungen 34 angebracht.
  • Die beiden Baueinheiten 36, 37 sind derart lösbar montiert, dass die Teilabschnitte 30, 31 unmittelbar axial hintereinander angeordnet sind. "Lösbar" bedeutet, dass die Baueinheiten 36, 37 bei oder nach der Demontage trennbar sind bzw. getrennt vorliegen. Ein definierter, axial lückenloser Übergang zwischen den beiden Teilabschnitten 30, 31 wird dadurch erreicht, dass die beiden Teilabschnitte 30, 31 in einem axialen Überlappungsbereich 32 miteinander überlappen. Dazu ist der Innendurchmesser des zweiten Teilabschnitts 31 geringfügig größer als der Außendurchmesser des ersten Teilabschnitts 30, sodass bei der Montage der erste Teilabschnitt 30 in den zweiten Teilabschnitt 31 geschoben werden kann. Vorliegend ist der Innendurchmesser des zweiten Teilabschnitts 31 derart größer gewählt, dass die beiden Teilabschnitte 30, 31 berührungsfrei unter Bildung eines Ringspalts 33 in dem Überlappungsbereich 32 zueinander angeordnet sind (bis auf z. B. ggf. vorhandene Verdrehsicherungsmittel und/oder Führungsmittel und/oder Abstandshaltemittel 381). Dies erlaubt eine einfache Montage und eine gute axiale Beweglichkeit zueinander. Der Ringspalt 33 ist radial so weit, dass auch bei z. B. Verformungen im Betrieb die axiale Beweglichkeit zueinander erhalten bleibt, ansonsten jedoch möglichst eng, um eine Luftleckage zwischen dem Kanal 84 und dem Brennraum 2 gering zu halten.
  • Im Betrieb kommt es aufgrund hoher thermischer Belastung, insbesondere in der Reaktionszone 21, zu einer Wärmeausdehnung insbesondere der Umfangswandung 3. Dies bewirkt eine (axiale) Längenausdehnung der Umfangswandung 3, die bei einem herkömmlichen, einteiligen Brennkammersystem 1 in einer axialen Verschiebung am Brennraumauslass 35 resultieren kann, insbesondere wenn es stromauf der Brennkammer 10 gelagert ist, beispielsweise über den Brennerkopf 4. Wenn - wie auch bei dem hier gezeigten Beispiel - das Brennkammersystem 1 in eine Gasführungsgeometrie (hier der Luftführungsgeometrie) einer Gasturbinenanlage eingebunden ist, kann die Längenänderung diese Geometrie verändern. Der Brennraumauslass 35 mit dem konischen Abschnitt 38 wird axial in Richtung Turbinengehäuseteil 82 verschoben, was den Strömungsquerschnitt des Kanals 84 verringert. Dies beeinflusst die Druckverlustverhältnisse in der Gasführung und damit das Verhältnis der Luftaufteilung (Brennluft zu Sekundärluft), was einen direkten Einfluss auf den Verbrennungsprozess und damit den Abgasemissionen nimmt.
  • Durch die hier gezeigte Ausbildung wird die wärmeausdehnungsbedingte Längenänderung des Brennkammersystems 1 durch die axiale Relativbewegung der Teilabschnitte 30, 31 zueinander weitgehend kompensiert. Unter der thermischen Belastung im Betrieb schiebt sich der erste Teilabschnitt 30 der Umfangswandung 3 axial weiter unter den zweiten Teilabschnitt 31 der Umfangswandung 3. Der Weg der axialen Verschiebbarkeit ist dabei zumindest so groß ausgelegt wie die zu erwartende wärmebedingte Längenausdehnung der ersten Baueinheit 36, um diese kompensieren zu können. Dabei vergrößert sich der Überlappungsbereich 32 um die axiale Längenausdehnung, die Gesamtlänge des Brennkammersystems 1 bleibt jedoch weitgehend unverändert. Die Gesamtlänge variiert im Wesentlichen um die Längenausdehnung der zweiten Baueinheit 37. Diese Längenausdehnung fällt aufgrund der dort niedrigeren Gastemperaturen (insbesondere auch durch Beimischung von Mischluft) und der vergleichsweise geringen Länge der zweiten Baueinheit 37 gering aus. Der Strömungsquerschnitt des Kanals 84 bleibt somit im Wesentlichen unverändert. Dadurch bleiben die Druckverlustverhältnisse in der Strömungsführung und damit das Verhältnis der Luftaufteilung im Wesentlichen konstant. Dies trägt zu einer definierten Verbrennungsprozessführung bei.
  • Die beiden Baueinheiten 36, 37 sind für eine axial verschiebbare Lagerung der Teilabschnitte 30, 31 zweckmäßigerweise getrennt voneinander gelagert. Die zweite Baueinheit 37 ist an dem sie umgebenden Gehäuse der technischen Anwendung, hier der Mikrogasturbinenanordnung, gelagert. Zu diesem Zweck weist die zweite Baueinheit 37 vorliegend ein Lagermittel 6 auf, das an dem Außenumfang des zweiten Teilabschnitts 31 befestigt ist. In der gezeigten Ausführungsvariante erfolgt die Lagerung des Lagermittels 6 an der Flanschverbindung 83 zwischen den beiden Gehäuseteilen 81, 82, wodurch das Lagermittel 6 einfach montierbar und die zweite Baueinheit 37 sicher gelagert ist. Das Lagermittel 6 ist bei dem Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass es umlaufend in einem Gasführungsabschnitt, hier dem Kanal 84, angeordnet werden kann, wobei es von dem Gas passierbar ist. Dabei ist das Lagermittel 6 vorteilhaft so ausgebildet, dass es einen geringen Strömungswiderstand aufweist, aber zugleich ausreichend stabil ist für eine sichere Lagerung.
  • Die genannte vorteilhafte Lagerung lässt sich z. B. durch die hier gezeigte Ausbildung erreichen. Wie im Detail auch aus Fig. 2 ersichtlich, weist das Lagermittel 6 eine Ringstruktur auf. Dabei umfasst das Lagermittel 6 einen ringförmigen äußeren Anlageabschnitt 61 zur Anlage an dem umgebenden Gehäuse und einen inneren Anlageabschnitt 63, mit dem das Lagermittel 6 an dem zweiten Teilabschnitt 31 der Umfangswandung 3 befestigt ist und so einen Teil der zweiten Baueinheit 37 bildet. Die Anlageabschnitte 61, 63 sind für eine sichere Anlage bzw. gute Befestigungsmöglichkeit mit zugleich widerstandsarmer Formgebung ringartig und vorzugsweise dünnwandig ausgebildet. Die Materialstärke ist jedoch zumindest ausreichend dick, um den Anlageabschnitten 61, 63 die für die Lagerung nötige Stabilität zu verleihen. Der äußere Anlageabschnitt 61 weist einen umlaufenden, radial nach außen gerichteten Überstand 62 auf, der hier axial mittig ausgebildet ist. Mit dem Überstand 62 greift das Lagermittel 6 z. B. in eine in der Flanschverbindung 83 gebildete Nut ein. Dabei kann das Lagermittel 6 zwischen den Flanschen geklemmt sein, wodurch vorteilhaft eine definierte Positionierung des Lagermittels 6 und damit der zweiten Baueinheit 37 erreicht wird. Bei vertikaler Montage des Brennkammersystems 1 könnte das Lagermittel 6 mit dem Überstand 62 auch auf dem Flansch des Turbinengehäuseteils 82 aufliegen und sich gegen diesen abstützen (hier nicht gezeigt). Die beiden Anlageabschnitte 61, 63 sind durch sich radial (bzgl. der Längsachse L) erstreckende Stege 64 stabil miteinander verbunden, hier beispielhaft sechs an der Zahl.
  • Durch die genannte Ausbildung und Positionierung wirkt das Lagermittel 6 zugleich als radialer Distanzring. Dadurch wird ein gleichmäßiger radialer Abstand des Brennkammersystems 1 zu der Wandung 8, und damit ein gleichmäßiger symmetrischer Strömungsquerschnitt des Kanals 84 sichergestellt. Dies trägt zu einer symmetrischen Luftführung bei. Wie Figur 1 zeigt, kann/können zusätzlich ein oder mehrere Abstandshaltemittel 381 an der zweiten Baueinheit 37 vorhanden sein, um den Strömungsquerschnitt des Kanals 84 möglichst konstant zu halten. Die Abstandshaltemittel 381 sind vorliegend in Form von Vorsprüngen an der Außenseite des konischen Abschnitts 38 zur Anlage an der Wandung 8 angeordnet. Sie dienen insbesondere dazu, die zweite Baueinheit 37 zusätzlich festzulegen und Positionsänderungen der zweiten Baueinheit 37 z. B. durch Verformungen entgegenzuwirken.
  • Das Lagermittel 6 ist in dem Überlappungsbereich 32 an der zweiten Baueinheit 37 befestigt. Der Überlappungsbereich 32 entspricht in seiner axialen Ausdehnung z. B. in etwa der axialen Ausdehnung des Lagermittels 6 bzw. des inneren Anlageabschnitts 63. Der Überlappungsbereich 32 kann auch länger sein, insbesondere im Betrieb, in dem sich der Überlappungsbereich 32 um die Verschiebung durch Wärmeausdehnung axial vergrößert. Die Befestigung des Lagermittels 6 in dem Überlappungsbereich 32 hat den Vorteil, dass die Wärmebelastung des Anlageabschnitts 63 verringert wird. Dies ergibt sich insbesondere durch die berührungsfreie Anordnung der Teilabschnitte 30, 31 zueinander, wobei der Ringspalt und eine ggf. vorhandenen Luftleckage in den Brennraum 2 die Wärmeübertragung zwischen dem Brennraum 2 und dem Anlageabschnitt 63 reduzieren.
  • Die Lagerung der ersten Baueinheit 36 erfolgt teileoptimiert über den Brennerkopf 4, der mit dem ersten Teilabschnitt 30 verbunden ist. Die Übertragung der Lagerkräfte erfolgt über die Stirnwand 40, die stromauf in ein stabartiges Positionierelement 48 übergeht, das zentral auf der Längsachse L angeordnet ist. Das Positionierelement 48 geht stromauf in den Verteilerbereich 421 und darüber in die Brennstoffzuleitung 42 über. Die Festlegung der ersten Baueinheit 36 erfolgt über die Brennstoffzuleitung 42 stromauf des Brennkammersystems 1 (hier nicht gezeigt). So sind in die Lagerung der ersten Baueinheit 36 vorteilhaft großteils bereits vorhandene Elemente des Brennerkopfes 4 involviert. Die Lagerung ist zugleich strömungsgünstig ausgelegt, durch die widerstandsarme Formgebung der gegen die Anströmrichtung konischen Stirnwand 4 und der zentralen, im Querschnitt kompakten Anordnung und Ausbildung des Positionierelements 48, des Verteilerbereichs 421 und der Brennstoffzuleitung 42. So wird zugleich eine strömungseffiziente stabile Lagerung erreicht.
  • Das Brennkammersystem 1 umfasst eine Verdrehsicherungseinrichtung 7, über die die beiden Baueinheiten 36, 37 und damit die Teilabschnitte 30, 31 in Umfangsrichtung verdrehsicher zueinander gelagert sind. Dadurch wird in radialer Richtung eine festgelegte Positionierung der beiden Baueinheiten 36, 37 erreicht. So lassen sich Elemente bzw. Ausbildungen in beiden Baueinheit 36, 37 in Umfangsrichtung zueinander definiert positionieren. Vorliegend betrifft dies z. B. die Zufuhröffnungen 46 des Brennerkopfes 4, die radial eindeutig definiert zu den Mischluftöffnungen 34 der zweiten Baueinheit 37 angeordnet sind, z. B. so, dass zwei Mischluftöffnungen 34 radial jeweils zwischen zwei Zufuhröffnungen 46 liegen. Dies ermöglicht eine definierte, saubere Verbrennungsprozessführung.
  • In dem gezeigten Beispiel ist die Verdrehsicherungseinrichtung 7 in dem Überlappungsbereich 32 ausgebildet. Dabei umfasst die Verdrehsicherungseinrichtung 7 ein Verdrehsicherungsmittel 71, das vorliegend als Vorsprung an der Innenseite des äußeren, hier des zweiten, Teilabschnitts 31 ausgebildet ist, z. B. in Form einer "Nase", eines Stegs oder Stifts. Weiterhin umfasst die Verdrehsicherungseinrichtung 7 eine Aufnahme 72, die hier an dem Ende 39 des inneren, ersten Teilabschnitts 30 ausgebildet ist. Die Aufnahme 72 ist dabei in Art einer axial verlaufenden länglichen Aussparung, beispielsweise als Schlitz, in das Ende 39 des ersten Teilabschnitts 30 eingebracht. Die Aussparung ist so breit ausgebildet, dass das Verdrehsicherungsmittel 71 hineinragen kann, wobei das Verdrehsicherungsmittel 71 eine entsprechende radiale Höhe aufweist. Die axiale Länge der Aussparung entspricht zumindest dem Weg der zu erwartenden axialen Verschiebung, in der die Wärmeausdehnung in diesem Bereich resultiert. Der erste Teilabschnitt 30 ist so mit seinem Ende 39 gegenüber dem zweiten Teilabschnitt 31 über den gesamten Weg der Wärmeausdehnung bewegbar bzw. verschiebbar und radial geführt.
  • Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Teilung des Brennkammersystems 1 besteht darin, dass mit wenig Aufwand Einfluss auf die Luftverhältnisse genommen werden kann. Soll z. B. das Brennkammersystem 1 flexibel, beispielsweise mit unterschiedlichen Brennstoffen, eingesetzt werden, erfordert dies häufig eine Anpassung der Luftverhältnisse. Durch die hier beschriebene Teilung des Brennkammersystems 1 ist insbesondere das Mischluft-Verhältnis mit geringem Aufwand durch Austausch der zweiten Baueinheit 37 anpassbar.
  • Im Betrieb wird dem Brennkammersystem 1 Luft durch das Plenum 49 zugegeben. In Fig. 1 ist die Luftführung durch Pfeile angedeutet. Die Luft teilt sich gemäß einem bestimmten Verhältnis, in einen Sekundärluftstrom und einen Brennluftstrom auf. Die Sekundärluft wird entlang der Stirnwand 40 in den Kanal 84 geleitet, wobei die Strömungsführung durch die konische Verjüngung der Stirnwand 40 widerstandsarm gestaltet ist. Die die Brennkammer 10 umströmende Sekundärluft kühlt die Stirnwand 40 und die Umfangswandung 3 insbesondere konvektiv. Durch die Mischluftöffnungen 34 gelangt ein Teil der Sekundärluft als Mischluft in die Brennkammer 10. Der Rest strömt weiter in Richtung Abgasbereich 5. Das Verhältnis der Aufteilung von Gesamtluft (oder Brennluft) zu Sekundärluft und Mischluft zu restlicher Luft in der Sekundärluft wird durch die Geometrie der Strömungsführung, insbesondere der Ausbildung der Mischluftöffnungen 34 und des Kanals 84, bestimmt.
  • Die restliche Luft gelangt als Brennluft durch die Luftzufuhren 45 in die Luft-/Brennstoffdüsenanordnungen 41. Hier wird der Brennluft Brennstoff koaxial zur Hauptströmungsrichtung in die Zufuhrdüsen 47 unmittelbar stromauf der Querschnittsverengungen zugegeben, sodass über die durch die Querschnittsverengungen gebildeten Beschleunigungsstrecken die Brennluft mit dem zugegebenen Brennstoff beschleunigt wird. Bis zu den Austrittsöffnungen 46 erfolgt eine teilweise Vermischung von Brennluft und Brennstoff. Dieses Gemisch wird nun der Brennkammer 10 zugeführt, entzündet sich dort und wird in der Reaktionszone 21 verbrannt. In dem Brennraum 2 bildet sich in der Rezirkulationszone 21 eine Rezirkulationsströmung mit einer inneren Rezirkulation des verbrannten Abgases aus, durch die ein Teil des verbrannten Abgases wieder in einen Bereich stromauf der Verbrennungszone zurückgeführt wird und sich in die noch unverbrannten Frischgase einmischt (in der Figur durch Pfeile angedeutet). Auf diese Weise wird die Verbrennungstemperatur reduziert. Die verhältnismäßig weit außen angeordneten Zufuhröffnungen 46 begünstigen dabei eine im Wesentlichen nach innen gerichtete Rezirkulation, sodass die zurückströmenden Abgase in der inneren Rezirkulationszone 21, umgeben von der ringförmigen Verbrennungszone, zurückströmen, d.h. näher an der Längsachse L vorbei als die verbrennenden Gase. Durch die im Wesentlichen innere Rezirkulation wird eine kompakte Strömungsführung erreicht, wodurch wiederum die Brennkammer 10 insbesondere bezüglich ihrer Länge kompakt ausgelegt werden kann.
  • Der Brennerkopf 4 und die Brennkammer 10 sind derart ausgelegt, dass die Reaktionszone 21 und Rezirkulationszone 22 stromauf der Mischluftöffnungen 34 gelegen sind. Die durch die Mischluftöffnungen 34 zugegebene Mischluft mischt sich im Wesentlichen in das in Richtung stromab in den Abgasbereich 5 strömende Abgas ein und kühlt dieses.
  • Der Brennerkopf 4 und die Brennkammer 10 sind z. B. derart ausgelegt, dass sich eine Rezirkulationsrate (Massenverhältnis an zurückgeführtem Abgas zu zugegebenen Frischgasen) von kleiner 1,5, bevorzugt kleiner 1, beispielsweise 0,4 bis 0,8 ergibt. Diese Rezirkulationsrate erlaubt eine über einen weiten Betriebsbereich stabile, saubere Verbrennung.
  • Die angegebene Verbrennungsprozessführung ermöglicht einen emissionsarmen, stabilen und effizienten Betrieb der Mikrogasturbinenanordnung. Die erfindungsgemäße Ausbildung des Brennkammersystems 1 trägt zu dem vorteilhaften Betrieb bei, indem die auslegungsgemäßen Verhältnisse zwischen den Luftströmen genauer eingehalten werden können.

Claims (14)

  1. Brennkammersystem (1), insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbinenanlage,
    mit einer um eine Längsachse (L) umlaufenden Umfangswandung (3), die einen Brennraum (2) umgrenzt, in dem im Betrieb eine Reaktionszone (21) ausgebildet ist,
    mit einem eingangsseitig des Brennraums (2) angeordneten Brennerkopf (4) zur Zugabe von Brennstoff und Oxidator in den Brennraum (2), der zumindest eine Brennstoffzufuhr zur Zugabe von Brennstoff in den Oxidator umfasst und mit einem ausgangsseitig des Brennraums (2) angeordneten Brennraumauslass (35),
    wobei das Brennkammersystem (1) in zumindest eine erste und eine zweite Baueinheit (36, 37) unterteilt ist, die in eingebautem Zustand in einer technischen Anwendung axial hintereinander angeordnet sind, wobei sich die zweite Baueinheit (37) zumindest bereichsweise stromab der ersten Baueinheit (36) erstreckt,
    wobei die Baueinheiten (36, 37) axial relativ zueinander verschiebbar gelagert sind,
    wobei die erste Baueinheit (36) einen ersten Teilabschnitt (30) der Umfangswandung (3) umfasst, und
    wobei die zweite Baueinheit (37) einen zweiten Teilabschnitt (31) der Umfangswandung (3) umfasst,
    wobei die Teilung des Brennkammersystems (1) in die Baueinheiten (36, 37) angrenzend an einen oder zwischen zwei Teilabschnitten (30, 31) angeordnet ist,
    wobei die hintereinander angeordneten Baueinheiten (36, 37) in einem axialen Überlappungsbereich (32) miteinander überlappen, wobei insbesondere der erste Teilabschnitt (30) mit der zweiten Baueinheit (37), insbesondere mit dem zweiten Teilabschnitt (31), überlappt, und
    wobei die zweite Baueinheit (37) an ihrem Außenumfang zumindest ein Lagermittel (6) aufweist, das dazu ausgebildet ist, in eingebautem Zustand die zweite Baueinheit (37) an einem das Brennkammersystem (1) umgebenden Gehäuse (81, 82) zu lagern,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Lagermittel (6) in dem Überlappungsbereich (32) angeordnet ist.
  2. Brennkammersystem (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Baueinheiten (36, 37) in dem Überlappungsbereich (32) zumindest teilweise berührungsfrei zueinander angeordnet sind.
  3. Brennkammersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Brennkammersystem (1) zumindest eine Verdrehsicherungseinrichtung (7) umfasst, mittels derer die hintereinander angeordneten Baueinheiten (36, 37) in Umfangsrichtung verdrehsicher zueinander gelagert sind.
  4. Brennkammersystem (1) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verdrehsicherungseinrichtung (7) in dem Überlappungsbereich (32) ausgebildet ist, wobei eine der beiden Baueinheiten (36, 37) außen und eine innen angeordnet ist und wobei die Verdrehsicherungseinrichtung (7) ein Verdrehsicherungsmittel (71) umfasst, das insbesondere auf der Innenseite der äußeren Baueinheit (37), insbesondere des äußeren Teilabschnitts (31), ausgebildet ist und weiterhin eine Aufnahme (72) umfasst, die insbesondere an einem stromabweisenden Ende (39) der inneren Baueinheit (36), insbesondere des inneren Teilabschnitts (30), ausgebildet ist, und
    dass das Verdrehsicherungsmittel (71) in der Aufnahme (72) axial geführt ist.
  5. Brennkammersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die erste Baueinheit (36) den Brennerkopf (4) sowie den ersten Teilabschnitt (30) umfasst und sich mit dem ersten Teilabschnitt (30) axial über den Bereich der Reaktionszone (21) hinweg erstreckt und/oder dass die zweite Baueinheit (37) den Brennraumauslass (35) umfasst.
  6. Brennkammersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Lagermittel (6) zur Anordnung in einem Gasführungsabschnitt, insbesondere in einen Kanal (8), ausgebildet ist, wobei es von Gas passierbar ist.
  7. Brennkammersystem (1) nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Lagermittel (6) umlaufend ausgebildet ist, mit einem umlaufenden äußeren Anlageabschnitt (61) zur Anlage an einem das Brennkammersystem (1) umgebenden Gehäuse und mit einem umlaufenden inneren Anlageabschnitt (63), der an der zweiten Baueinheit (37), insbesondere an dem zweiten Teilabschnitt (31), angeordnet ist und
    dass die beiden Anlageabschnitte (61, 63) über radial angeordnete Stege (64) miteinander Gas passierbar verbunden sind.
  8. Brennkammersystem (1) nach Anspruch 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die erste Baueinheit (36) über den Brennerkopf (4) und über eine Brennstoffzuleitung (42) gelagert ist.
  9. Brennkammersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Brennkammersystem (1) derart ausgebildet ist, dass im Betrieb von einem Gesamt-Oxidatorstrom ein Sekundärstrom an Oxidator abgezweigt und über den Brennerkopf (4) in einen Kanal (84) zwischen der Umfangswandung (3) und einer das Brennkammersystem (1) umgebenden Wandung (8) gelenkt wird.
  10. Brennkammersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in dem zweiten Teilabschnitt (31) der Umfangswandung (3), insbesondere umlaufend, Mischluftöffnungen (34) angeordnet sind, über die im Betrieb stromab der Reaktionszone (21) Oxidator des Sekundärstroms in den Brennraum (2) strömt.
  11. Brennkammersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Brennkammersystem (1) zum Betrieb mit einer ausgeprägten inneren Rezirkulationszone (22) ausgebildet ist, wobei insbesondere Zufuhrdüsen (47) zur Zufuhr von Oxidator und/oder Brennstoff ringförmig umlaufend in einer Stirnwand (40) des Brennerkopfes (4) angeordnet sind.
  12. Brennkammersystem (1) nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Stirnwand (40) zumindest teilweise gegen die Anströmrichtung des Oxidators zulaufend ausgebildet ist.
  13. Brennkammersystem (1) nach Anspruch 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Stirnwand (40) stromauf in ein Positionierelement (48) übergeht, das auf der Längsachse (L) angeordnet ist, und
    dass das Positionierelement (48) stromauf in einen Verteilerbereich (421) und darüber in eine Brennstoffzuleitung (42) übergeht.
  14. Mikrogasturbinenanordnung mit einem Brennkammersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer stromab des Brennkammersystems (1) angeschlossenen Turbine und mit einem Gehäuse, das zumindest das Brennkammersystem (1) mittels einer Wandung (8) umgibt, wobei zwischen einem Bereich der Wandung (8) und dem Brennkammersystem (1) zumindest ein Kanal (84) zur Gasführung, insbesondere zur Luftführung, gebildet ist.
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