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EP3087323B1 - Fuel nozzle, burner having such a fuel nozzle, and gas turbine having such a burner - Google Patents

Fuel nozzle, burner having such a fuel nozzle, and gas turbine having such a burner Download PDF

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Publication number
EP3087323B1
EP3087323B1 EP15741750.2A EP15741750A EP3087323B1 EP 3087323 B1 EP3087323 B1 EP 3087323B1 EP 15741750 A EP15741750 A EP 15741750A EP 3087323 B1 EP3087323 B1 EP 3087323B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
burner
vortex generator
vortex
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP15741750.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP3087323A1 (en
Inventor
Christian Beck
Stefan Dederichs
Olga Deiss
Berthold Köstlin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3087323A1 publication Critical patent/EP3087323A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP3087323B1 publication Critical patent/EP3087323B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/36Supply of different fuels
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00002Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]

Definitions

  • the invention relates to a burner with a premixing chamber and with a fuel nozzle for two fuels. Furthermore, the invention relates to a gas turbine with such a burner. Furthermore, the invention relates to a fuel nozzle for two fuels.
  • a burner In gas turbines, a burner is typically provided with a premixing chamber in which a particular gaseous fuel is mixed with air to subsequently burn the resulting mixture.
  • a particular gaseous fuel is mixed with air to subsequently burn the resulting mixture.
  • the efficiency of the gas turbine and the formation of undesirable emission products, in particular nitrogen oxides are essentially dependent on the mixing of the fuel with the air.
  • the natural gas is often injected in the radial direction, that is perpendicular to the flow direction of the air (so-called jet-in-crossflow method).
  • jet-in-crossflow method a suitable mixing of natural gas and air can be achieved.
  • a combustion chamber which consists essentially of a first and downstream in the flow direction second stage.
  • a mixer for forming a fuel / air mixture and the outflow side of the mixer vortex generators are available. These serve, in particular, for the twisting of hot air, which is then conducted into a premixing zone for mixing with fuel and subsequently into a combustion zone of the second stage.
  • the US 2002/014078 discloses, for example, a burner with a fuel lance with radially aligned fuel openings and tangentially, ie, circumferentially aligned outlet openings, between which a swirl device for directional twisting of the flow is arranged.
  • a fuel nozzle for two fuels comprising an inner tube with radially aligned outlet openings for a first fuel and with an outer tube surrounding the inner tube with axially aligned outlet openings for a second fuel.
  • a hydrogen-containing fuel gas in the flow direction of the air via the axial outlet openings.
  • a so-called Lobe mixer is provided.
  • the second fuel for example natural gas is then injected via the radial outlet openings.
  • the object of the invention is to provide an improved burner which is particularly suitable for operation with multiple fuels. Furthermore, a mixture formation in the burner should be improved. Furthermore, a gas turbine to be specified with such a burner. In addition, an improved fuel nozzle is to be specified, which is particularly suitable for multiple fuels.
  • a burner comprises a plurality of premixing chambers each having a fuel nozzle for two fuels, wherein the fuel nozzle has a extending in a flow direction fuel lance, in which a number of first outlet openings for a first fuel is introduced, and the fuel lance of an outer tube is surrounded, with at least a second outlet opening for a second fuel, the first outlet openings are radially aligned and the second outlet opening axially, wherein between the fuel lance and inside of the premixing chamber, a flow cross-section is formed and wherein a number of vortex generators is arranged on the fuel lance which reduce a flow cross section oriented transverse to the flow direction, wherein at least one vortex generator upstream of the first outlet openings and downstream of the second outlet opening is arranged and the premixing chamber has a cross section and an end and the distance of the first outlet openings from the end of the premixing chamber is at least three times as large as the cross section of the premixing chamber.
  • the air, the first fuel and the second fuel are hereinafter referred to generally as gases.
  • the application is in principle but not limited to gaseous media. Furthermore, the application is not limited to the following gases, namely natural gas, hydrogen and air.
  • the fuel lance is advantageously used for the injection of natural gas, which is provided by means of the radial outlet openings for mixing.
  • radial is understood to mean that the fuel lance extends in the direction of flow, that is to say axially, and radially has a jacket surface in which suitable, for example round, openings are made.
  • outlet openings are preferably distributed in a common position in the axial direction and uniformly in the circumferential direction of the fuel lance.
  • outlet openings are arranged at several positions in the axial direction one behind the other.
  • the outer tube surrounds the fuel lance in the axial direction preferably only partially, that is, the fuel lance is in the flow direction.
  • the radial outlet openings are covered by the outer tube or there are both covered, as not covered outlet openings available.
  • the outer tube is preferably used for axial injection of the second fuel, for example hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas. Due to the axial injection, it is in particular possible to inject a fuel by means of a larger volume flow compared to natural gas. Advantageously, furthermore, an air-side pressure loss, as may possibly occur in the case of radial injection, can be reduced or avoided altogether.
  • the second fuel for example hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas. Due to the axial injection, it is in particular possible to inject a fuel by means of a larger volume flow compared to natural gas.
  • an air-side pressure loss as may possibly occur in the case of radial injection, can be reduced or avoided altogether.
  • At least one vortex generator is provided, that is to say arranged in the burner.
  • the mixing can be achieved, in particular, by reducing a flow cross-section of at least one of the gases at at least one position along the flow direction.
  • the air flows in the flow direction at a first position, a first surface, which is oriented transversely, that is substantially perpendicular to the flow direction.
  • the first surface corresponds to the flow cross-section at the first position.
  • a vortex generator is now arranged at a second position downstream of the first position, which opposes the air with an additional blocking surface, whereby the second surface through which the air flows at the second position is smaller than the first surface.
  • the flow area is smaller at the second position than at the first position.
  • the vortex generator is a surface which is set in relation to the flow direction. It points the vortex generator suitably has a contour, preferably at least one edge, for generating turbulence.
  • At least one vortex generator is mounted on the fuel lance.
  • the vortex generator when using the vortex generator for turbulence of the fuel injected by the fuel lance first fuel advantageously the vortex generator is adapted to the requirements of this fuel.
  • the vortex generator When exchanging the first fuel and thus possibly changed requirements for mixing with air, it is thereby possible in particular to replace the turbulizer by exchanging the fuel lance at the same time.
  • At least one vortex generator is arranged upstream of the radial outlet openings and downstream of the axial outlet opening. This makes it possible, in particular, to achieve turbulence of the air and / or of the second fuel without the vortex generator directly influencing the flow of the first fuel. It is understood by direct influence that the respective vortex generator is affected by the gas influenced by this.
  • the premixing chamber of the burner according to the invention has a cross section and an end, wherein with a view to a good mixing of fuel and air, the distance of the first outlet openings from the end of the premixing chamber at least three times as large as the cross section of the premixing chamber. This ensures that the length of the route, on which fuel and air can mix, is sufficiently large.
  • the fuel lance and the outer tube are arranged concentrically.
  • the fuel lance and the outer tube are designed substantially cylindrical and have a common longitudinal axis.
  • the outer tube is preferably formed as a tube with an annular profile transverse to the longitudinal axis.
  • the longitudinal axis extends in the flow direction.
  • the second fuel and the air flow in each case in the flow direction.
  • the air and the second fuel are flowed in or injected axially.
  • the first fuel is preferably injected radially.
  • At least one vortex generator is wedge-shaped. It is understood by wedge-shaped that the vortex generator has a surface which extends obliquely to the axial direction and in particular obliquely to the flow direction.
  • the surface is rectangular.
  • the surface is triangular, with one side of the triangle extending transversely to the flow direction. The two remaining sides either run in or against the flow direction to a tip of the triangle.
  • wedge-shaped is also understood to mean tetrahedral.
  • the vortex generator is possibly composed as a solid body or of different surface elements or formed in several parts. It is essential that by means of the vortex generator of the flow cross-section in the flow direction is adjustable, in particular to produce turbulence in the flow of the gas flowing the vortex generator. It will Under adjustable in particular understood that the exact design and orientation of the Wirbellys is determined during its manufacture and assembly.
  • At least one turbulizer is attached to the outer tube.
  • the vortex generator is either externally mounted on the outer tube, in particular for turbulence of the air flowing there suitably along, or inside the outer tube, for turbulence of the second fuel preferably flowing therealong.
  • the premixing chamber comprises an inner wall, on which at least one vortex generator is mounted. In this way, in particular, a turbulence substantially independent of the fuel nozzle can be achieved.
  • At least one vortex generator is arranged downstream of the radial outlet openings.
  • at least one vortex generator is arranged downstream of any outlet openings, as a result of which this vortex generator influences in particular each of the inflowing gases, that is, in particular, swirls.
  • At least one vortex generator is arranged downstream of the axial outlet opening and upstream of the radial outlet openings and on the fuel lance.
  • a plurality of vortex generators are arranged in the axial direction at different positions on the fuel lance.
  • a plurality of vortex generators in groups, for example in series, in axial Direction one behind the other or offset; or in a plane, that is, in particular both side by side (for example, in the circumferential direction) and in succession. It is also possible that several vortex generators advantageously have different geometries and / or dimensions.
  • a plurality of vortex generators are arranged at approximately the same position in the axial direction and along a circumferential direction with respect to the longitudinal axis.
  • a plurality of vortex generators are arranged on the circumference of the outer tube such that all lying in the direction of rotation between adjacent vortex generators distances are equal.
  • a number of vortex generators are mounted on the outer tube for entangling the air and for improved mixing with hydrogen injected axially downstream therefrom.
  • vortex generators are mounted downstream of the radial outlet openings.
  • the outer tube has an end region which is designed as a lobe mixer and comprises a number of lamellae. These extend in particular in the flow direction and as radially formed folds. This results transversely to the longitudinal axis, in particular a star-shaped cross section (or a star-shaped profile). In the circumferential direction, a gap is formed between each two slats through which in particular the flow cross-section of the air downstream is advantageously increased.
  • the lamellae each have a vertex in the radial direction, which extends substantially in the axial direction. This means in particular that the radial distance between vertex and longitudinal axis in the flow direction is substantially constant.
  • the outer tube has an outer sheath and the vertexes of the lamellae are substantially aligned with the outer sheath. It is possible that a slight inclination or slope is provided in the axial direction.
  • a mixing of the second fuel with air is advantageously achieved in that it follows a flow in the flow direction, which breaks off at the end of the end region.
  • the star-shaped cross section of the end region has at the end a contour line which is elongated with respect to the outer tube (and correspondingly star-shaped). This advantageously provides a larger edge in comparison to the circumference of the outer tube for stalling.
  • the end region is twisted or twisted in such a way that the lamellae and thus also the apices extend in a spiral around the longitudinal axis. This makes it possible to additionally twist the air flowing along the lamellae and thus to achieve improved mixing.
  • a number of lamellae are additionally designed as vortex generators.
  • these lamellae are in particular formed such that their vertices are formed as inclined in the axial direction surfaces.
  • the distance from the apex of a lamella to the longitudinal axis changes in the direction of flow.
  • the distance in the flow direction is continuously increased.
  • an employed surface is provided with an edge in such a way that by means of this a turbulence in the manner of a vortex generator can be achieved.
  • At least one vortex generator is arranged in an intermediate space between two lamellae.
  • the space mentioned here corresponds to the already mentioned above space between two adjacent in the direction of rotation of the outer tube fins.
  • this arrangement it is possible by this arrangement to produce vortex generators with comparatively large side surfaces, that is, in comparison to, for example, arranged on an annular tube without lobe mixer vortex generators. As a result, the turbulence can be advantageously influenced.
  • a combination of the vortex generators mentioned above with one of the above-mentioned concepts for the injection of the second fuel allows an improved mixture of the gases involved.
  • the mixture is improved both with simultaneous injection of first and second fuel (for example natural gas and hydrogen) and in a single operation, that is to say when injecting only one fuel (for example natural gas or hydrogen).
  • a gas turbine comprises a burner having one or more of the above features, thereby providing the above-mentioned advantages.
  • a gas turbine is in particular more efficient and advantageously has a lower emission of pollutants.
  • a fuel nozzle according to the invention for two fuels has a fuel lance extending in a flow direction.
  • a number of first outlet openings for a first fuel is introduced.
  • the fuel lance is surrounded by an outer tube with at least one second outlet opening for a second fuel, wherein the first outlet openings are radially aligned and the second outlet opening axially, wherein a number of vortex generators is arranged on the fuel lance.
  • At least one vortex generator is arranged upstream of the first outlet openings and downstream of the second outlet opening.
  • the burner 2 in this case comprises a premixing chamber 6, which is followed by a combustion chamber 8 in the flow direction S.
  • two fuels and air are injected into the premixing chamber 6 during operation.
  • a fuel nozzle 10 which extends in the flow direction S.
  • the air is flown in through a fuel inlet duct 12 surrounding the fuel nozzle 10 in the flow direction S.
  • the fuel nozzle 10 comprises a fuel lance 14 and an outer tube 16 surrounding it, the fuel lance 14 projecting in the flow direction S and with respect to the outer tube 16.
  • the fuel lance 14 and the outer tube 16 are in The embodiment shown here is designed substantially cylindrical, that is, these have transversely to the flow direction S a circular or annular cross-section.
  • the fuel lance 14 and the outer tube 16 are arranged concentrically and accordingly have a common longitudinal axis L, which extends in the flow direction S.
  • the fuel lance 14 has a number of radial outlet openings 18. These are circular in the embodiment shown here and arranged in a common position in the axial direction, ie in the flow direction S. In this case, the outlet openings 18 are distributed in a circumferential direction U and in particular uniformly.
  • the radial outlet openings 18 are used in particular for the injection of the first fuel, for example natural gas.
  • the outer tube 16 has a larger diameter than the fuel lance 14, whereby in the axial direction a particular annular, axial outlet opening 20 is realized.
  • the second fuel is injected into the premixing chamber 6. That is, the second fuel in particular flows around the fuel lance 14.
  • FIG. 1 is mounted on the fuel lance 14 a number of vortex generators 22. These are arranged downstream of the axial outlet opening 20 and upstream of the radial outlet openings 18.
  • the vortex generators 22 are of tetrahedral design in the exemplary embodiment shown here (cf. FIG. 20 ).
  • FIG. 1 shows that the premixing chamber 6 has a cross section 50 and an end 52 and the distance of the first outlet openings 18 from the end 52 of the premixing chamber 6 is at least three times as large as the cross section 50 of the premixing chamber 6.
  • the vortex generators 22 according to FIG. 1 attached internally to the premixing chamber 6.
  • the vortex generators 22 are arranged at a position downstream of the radial outlet openings.
  • the vortex generators 22 each have a respect to the flow direction S salaried surface 24, which is triangular here and counter to the flow direction S to the longitudinal axis L tapers. This arrangement is also referred to as forward directed. In an alternative, not shown embodiment, however, the vortex generators 22 are directed backwards, that is rotated by 180 ° such that the surface 24 in the flow direction S to the longitudinal axis L tapers.
  • a flow cross-section Q is defined, which is changed by the vortex generators 22 in the flow direction S.
  • the flow cross-section Q is defined at a first position P1 by the premixing chamber 6 and the fuel lance 14. At this first position P1, the flow cross-section Q is in particular greater than at a second position P2 at which the vortex generators 22 are arranged in the exemplary embodiment shown here.
  • FIGS. 3 to 17 schematically show further embodiments of a fuel nozzle 14.
  • This show the FIG. 3 . 6 . 9 . 12 and 15 each of the fuel nozzle 14 in a side view and to each of the gases clarified by arrows Inlet direction 28, 30, 32.
  • the first fuel in the inflow direction 28 is flowed in radially and the second fuel and the air are flowed axially in the inflow directions 30, 32.
  • Due to the axial inflow, in particular the general flow direction S is predetermined in the premixing chamber 6, which also essentially follows the first fuel at a sufficient distance from the radial outlet openings 18.
  • FIG. 4 . 7 . 10 . 13 and 16 each show the corresponding fuel lance 14 in front view
  • the FIG. 5 . 8th . 11 . 14 and 17 each show the corresponding fuel lance 14 in a perspective view.
  • the in the 3 to 5 illustrated embodiment of the fuel nozzle 10 includes a number of forward oriented tetrahedral vortex generators 22, which are mounted downstream of the axial outlet opening 20 and upstream of the radial outlet openings 18 on the fuel lance 14.
  • the vortex generators 22 each have a height H which is selected here in such a way that the vortex generator 22 extends further in the radial direction than the outer tube 16. This is particularly evident in FIG FIG. 4 shown. As a result, it is possible, in particular, to supply the vortex generators 22 directly with air and to vortex them.
  • FIGS. 6 to 8 show the fuel nozzle 10 with mounted on the outer tube 16 vortex generators 22. These are oriented here forward and are flown by the air flowing around the outer tube 16. By contrast, the fuel lance 14 has no vortex generators 22.
  • FIGS. 9 to 11 show the fuel nozzle 10 with a designed as a lobe mixer end portion 34.
  • a number of six blades 36 is formed in the end region 34 here. These give a star-shaped cross-section, such as out FIG. 10 becomes clear.
  • FIG. 10 continues to show that the lamellae 36 do not substantially project beyond the outer tube 16 in the radial direction.
  • the lamellae 36 each have a vertex 38 extending in the axial direction and, in particular, are evenly spaced in the circumferential direction U by intermediate spaces 40. At the end 42 of the outer tube 16, the lamellae 36 form a star-shaped contour 44, by which in particular a number of outlet channels 46 is realized.
  • the axial outlet opening 20 therefore comprises six outlet channels 46 in the exemplary embodiment shown here.
  • the vortex generators 22 mounted downstream of the fuel lance 14 may either follow or be offset from one of the exit channels 46 in the flow direction S.
  • two vortex generators 22A are arranged in an imaginary extension of outlet channels 46 and two vortex generators 22B are arranged in an imaginary extension of intermediate spaces 40.
  • FIGS. 12 to 14 show an embodiment in which the outer tube 16 of the fuel nozzle 10 in the end region 34 has a number of four fins 36 here, which are simultaneously designed as a vortex generator 22.
  • the respective apex 38 of a lamella 36 is designed as an employed surface 24 and has two edges 26 delimiting the substantially triangular surface 24. These extend downstream of the longitudinal axis L away.
  • the end region 34 has a number of outlet channels 46 for the second fuel corresponding to the number of vortex generators 22.
  • the radial outlet openings 18 are arranged substantially directly downstream of the outer tube 16.
  • a respective radial outlet opening 18 is arranged either in an imaginary extension of an intermediate space 40 or in an imaginary extension of an outlet channel 46.
  • FIGS. 15 to 17 An alternative embodiment with both vortex generators 22 and fins 36 in the end region 34 of the outer tube 16 is in the FIGS. 15 to 17 shown.
  • a vortex generator 22 is arranged in the intermediate space 40 between two adjacent lamellae 36.
  • the vortex generators 22 are formed in the embodiment shown here to the end 42 of the outer tube 16, that is, in particular the vortex generators 22 are aligned in the radial direction with the end 42 of the outer tube 16.
  • turbulators 22 have in the FIGS. 15 to 17 vortex generator 22 shown at the end no outlet channels 46.
  • FIGS. 18 to 23 each show an embodiment of a vortex generator 22. In this case, the actual design is not limited to the embodiments shown here.
  • FIGS. 18 and 19 each show one with respect to a flow direction S employed triangular or rectangular surface 24.
  • Die FIG. 20 and 21 show similarly configured vortex generator 22, but these are formed here as a solid body and have corresponding side surfaces 48.
  • those in the FIGS. 22 and 23 shown turbulators 22 each have two, in particular separately manufactured side surfaces 48, which are employed with respect to the flow direction S.
  • the vortex generators 22 are respectively oriented forward with respect to the flow direction S.
  • the vortex generators 22 are oriented backwards, that is, rotated by 180 ° with respect to the flow direction S (the arrow indicating the flow direction S in FIG the FIGS. 18 to 23 then points in the opposite direction).

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Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einer Vormischkammer und mit einer Brennstoffdüse für zwei Brennstoffe. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Gasturbine mit einem solchen Brenner. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffdüse für zwei Brennstoffe.The invention relates to a burner with a premixing chamber and with a fuel nozzle for two fuels. Furthermore, the invention relates to a gas turbine with such a burner. Furthermore, the invention relates to a fuel nozzle for two fuels.

In Gasturbinen ist typischerweise ein Brenner mit einer Vormischkammer vorgesehen, in der ein insbesondere gasförmiger Brennstoff mit Luft vermischt wird, um das resultierende Gemisch anschließend zu verbrennen. Die Effizienz der Gasturbine und auch die Bildung von unerwünschten Emissionsprodukten, insbesondere Stickoxiden sind dabei wesentlich von der Vermischung des Brennstoffes mit der Luft abhängig.In gas turbines, a burner is typically provided with a premixing chamber in which a particular gaseous fuel is mixed with air to subsequently burn the resulting mixture. The efficiency of the gas turbine and the formation of undesirable emission products, in particular nitrogen oxides are essentially dependent on the mixing of the fuel with the air.

Insbesondere bei einer mit Erdgas betriebenen Gasturbine wird das Erdgas häufig in radialer Richtung, das heißt senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft eingedüst (sogenannte Jet-in-Crossflow-Methode). Hierdurch kann eine geeignete Vermischung von Erdgas und Luft erzielt werden.In particular, in a natural gas-powered gas turbine, the natural gas is often injected in the radial direction, that is perpendicular to the flow direction of the air (so-called jet-in-crossflow method). As a result, a suitable mixing of natural gas and air can be achieved.

Zur Vermischung sind desweiteren beispielsweise aus der DE 44 26 351 A1 sogenannte Wirbel-Generatoren bekannt. Dort wird eine Brennkammer offenbart, welche im Wesentlichen aus einer ersten und einer in Strömungsrichtung nachgeschalteten zweiten Stufe besteht. Dabei weist die erste Stufe kopfseitig einen Mischer zur Bildung eines Brennstoff/Luft-Gemisches auf und abströmungsseitig des Mischers sind Wirbel-Generatoren vorhanden. Diese dienen insbesondere zur Verdrallung von Heißluft die anschließend in eine Vormischzone zur Vermischung mit Brennstoff und anschließend in eine Verbrennungszone der zweiten Stufe geführt wird.For mixing are furthermore, for example, from the DE 44 26 351 A1 so-called vortex generators known. There, a combustion chamber is disclosed, which consists essentially of a first and downstream in the flow direction second stage. In this case, the first stage on the head side a mixer for forming a fuel / air mixture and the outflow side of the mixer vortex generators are available. These serve, in particular, for the twisting of hot air, which is then conducted into a premixing zone for mixing with fuel and subsequently into a combustion zone of the second stage.

Die US 2002/014078 offenbart beispielsweise einen Brenner mit einer Brennstofflanze mit radial ausgerichteten Brennstofföffnungen und tangential, d.h. in Umfangsrichtung ausgerichteten Austrittsöffnungen, zwischen denen eine Dralleinrichtung zur gerichteten Verdrallung der Strömung angeordnet ist.The US 2002/014078 discloses, for example, a burner with a fuel lance with radially aligned fuel openings and tangentially, ie, circumferentially aligned outlet openings, between which a swirl device for directional twisting of the flow is arranged.

Auch die US 5,435 126 A offenbart einen Brenner mit radialer und tangentialer Brennstoffeindüsung.Also the US 5,435,126 A discloses a burner with radial and tangential fuel injection.

Zusätzlich ist es bekannt, Gasturbinen mit mehreren Brennstoffen zu betreiben, beispielsweise mit Erdgas und Wasserstoff. Der Betrieb kann dabei entweder gleichzeitig mit mehreren Brennstoffen erfolgen oder lediglich mit einem der Brennstoffe. Dadurch ist insbesondere die Flexibilität der Gasturbine erhöht, da Brennstoffe je nach Verfügbarkeit eingesetzt werden können. Es entstehen jedoch durch die verschiedenen Betriebsmodi auch zusätzliche Anforderungen an die Gasturbine und deren Brenner.In addition, it is known to operate gas turbines with multiple fuels, such as natural gas and hydrogen. The operation can be done either simultaneously with multiple fuels or only with one of the fuels. As a result, in particular the flexibility of the gas turbine is increased, since fuels can be used depending on availability. However, due to the different operating modes, additional requirements are imposed on the gas turbine and its burners.

Bei der Verwendung oder Beimengung von Wasserstoff besteht jedoch ein gegenüber der bloßen Verwendung von Erdgas erhöhtes Risiko von Flammenrückschlag und Selbstzündung. Zur Verringerung dieses Risikos ist es möglich, dem Wasserstoff ein weniger reaktives Gas zuzusetzen zur Bildung eines wasserstoffhaltigen Brenngases, das häufig jedoch nachteilig eine geringere Energiedichte aufweist als Erdgas. Dadurch ist es insbesondere notwendig, in einem geeigneten Eindüsungskonzept verschiedene Volumenströme für die verschiedenen Brennstoffe zugrunde zu legen.When using or adding hydrogen, however, there is an increased risk of flashback and auto-ignition compared to the mere use of natural gas. To reduce this risk, it is possible to add a less reactive gas to the hydrogen to form a hydrogen-containing fuel gas, which, however, often has a disadvantageous lower energy density than natural gas. As a result, it is particularly necessary to use different volume flows for the different fuels in a suitable injection concept.

Zur weiteren Verminderung des Risikos von Flammenrückschlag und Selbstzündung ist es bekannt, das wasserstoffhaltige Brenngas in koaxialer Richtung, das heißt in Strömungsrichtung der Luft einzudüsen. Dadurch wird insbesondere auch ein luftseitiger Druckverlust reduziert, der bei der Verwendung von wasserstoffhaltigem Brenngas aufgrund des größeren Volumenstromes größer ist als bei Verwendung von Erdgas.To further reduce the risk of flashback and auto-ignition, it is known to inject the hydrogen-containing fuel gas in the coaxial direction, that is to say in the direction of flow of the air. As a result, in particular an air-side pressure loss is reduced, which is greater when using hydrogen-containing fuel gas due to the larger volume flow than when using natural gas.

Aus der EP 2 604 919 A1 ist beispielsweise eine Brennstoffdüse für zwei Brennstoffe bekannt, mit einem Innenrohr mit radial ausgerichteten Austrittsöffnungen für einen ersten Brennstoff und mit einem das Innenrohr umgebenden Außenrohr mit axial ausgerichteten Austrittsöffnungen für einen zweiten Brennstoff. Mittels einer solchen Düse ist es beispielsweise möglich, über die axialen Austrittsöffnungen ein wasserstoffhaltiges Brenngas in Strömungsrichtung der Luft einzudüsen. Um die Vermischung des Brenngases mit der Luft zu verbessern ist zusätzlich ein sogenannter Lobe-Mixer vorgesehen. Der zweite Brennstoff, beispielsweise Erdgas wird dann über die radialen Austrittsöffnungen eingedüst. Nachteilig ist hierbei, dass keine weitere Optimierungsmöglichkeiten bezüglich der Vermischung insbesondere des Erdgases und der Luft besteht.From the EP 2 604 919 A1 For example, a fuel nozzle for two fuels is known, comprising an inner tube with radially aligned outlet openings for a first fuel and with an outer tube surrounding the inner tube with axially aligned outlet openings for a second fuel. By means of such a nozzle, it is for example possible to inject a hydrogen-containing fuel gas in the flow direction of the air via the axial outlet openings. To improve the mixing of the fuel gas with the air In addition, a so-called Lobe mixer is provided. The second fuel, for example natural gas is then injected via the radial outlet openings. The disadvantage here is that there is no further optimization possibilities with respect to the mixing in particular of the natural gas and the air.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Brenner anzugeben, der insbesondere zum Betrieb mit mehreren Brennstoffen geeignet ist. Weiterhin soll eine Gemischbildung im Brenner verbessert werden. Desweiteren soll eine Gasturbine mit einem solchen Brenner angegeben werden. Zusätzlich soll eine verbesserte Brennstoffdüse angegeben werden, die insbesondere für mehrere Brennstoffe geeignet ist.The object of the invention is to provide an improved burner which is particularly suitable for operation with multiple fuels. Furthermore, a mixture formation in the burner should be improved. Furthermore, a gas turbine to be specified with such a burner. In addition, an improved fuel nozzle is to be specified, which is particularly suitable for multiple fuels.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennerdüse mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruches 2 und eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruches 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by a burner nozzle with the features of claim 1, a burner with the features of claim 2 and a gas turbine with the features of claim 11. Advantageous embodiments, developments and variants are the subject of the dependent claims.

Hierzu ist vorgesehen, dass ein Brenner eine Mehrzahl von Vormischkammern mit jeweils einer Brennstoffdüse für zwei Brennstoffe umfasst, wobei die Brennstoffdüse eine sich in einer Strömungsrichtung erstreckende Brennstofflanze aufweist, in die eine Anzahl von ersten Austrittsöffnungen für einen ersten Brennstoff eingebracht ist, und die Brennstofflanze von einem Außenrohr umgeben ist, mit wenigstens einer zweiten Austrittsöffnung für einen zweiten Brennstoff, wobei die ersten Austrittsöffnungen radial und die zweite Austrittsöffnung axial ausgerichtet sind, wobei zwischen Brennstofflanze und Innenseite der Vormischkammer ein Strömungsquerschnitt gebildet ist und wobei eine Anzahl von Wirbelerzeugern auf der Brennstofflanze angeordnet ist, die einen quer zur Strömungsrichtung orientierten Strömungsquerschnitt reduzieren, wobei wenigstens ein Wirbelerzeuger stromauf der ersten Austrittsöffnungen und stromab der zweiten Austrittsöffnung angeordnet ist und die Vormischkammer einen Querschnitt und ein Ende aufweist und der Abstand der ersten Austrittsöffnungen vom Ende der Vormischkammer mindestens dreimal so groß ist, wie der Querschnitt der Vormischkammer. Insbesondere weist die Vormischkammer einen Lufteinströmkanal auf, in dem die Brennstoffdüse angeordnet ist. Vorteilhafterweise strömt in Strömungsrichtung Luft ein, zur Vermischung mit dem ersten und/oder zweiten Brennstoff.For this purpose, it is provided that a burner comprises a plurality of premixing chambers each having a fuel nozzle for two fuels, wherein the fuel nozzle has a extending in a flow direction fuel lance, in which a number of first outlet openings for a first fuel is introduced, and the fuel lance of an outer tube is surrounded, with at least a second outlet opening for a second fuel, the first outlet openings are radially aligned and the second outlet opening axially, wherein between the fuel lance and inside of the premixing chamber, a flow cross-section is formed and wherein a number of vortex generators is arranged on the fuel lance which reduce a flow cross section oriented transverse to the flow direction, wherein at least one vortex generator upstream of the first outlet openings and downstream of the second outlet opening is arranged and the premixing chamber has a cross section and an end and the distance of the first outlet openings from the end of the premixing chamber is at least three times as large as the cross section of the premixing chamber. In particular, the premixing chamber has an air inflow channel in which the fuel nozzle is arranged. Advantageously, air flows in the direction of flow, for mixing with the first and / or second fuel.

Die Luft, der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff werden im Folgenden allgemein als Gase bezeichnet. Die Anwendung ist prinzipiell aber nicht auf gasförmige Medien beschränkt. Desweiteren ist die Anwendung nicht auf die im Folgenden genannten Gase, nämlich Erdgas, Wasserstoff und Luft beschränkt.The air, the first fuel and the second fuel are hereinafter referred to generally as gases. The application is in principle but not limited to gaseous media. Furthermore, the application is not limited to the following gases, namely natural gas, hydrogen and air.

Die Brennstofflanze dient vorteilhafterweise zur Eindüsung von Erdgas, welches mittels der radialen Austrittsöffnungen zur Vermischung bereitgestellt wird. Unter radial wird hierbei verstanden, dass die Brennstofflanze sich in Strömungsrichtung, das heißt axial erstreckt und radial dazu eine Mantelfläche aufweist, in die geeignete, beispielsweise runde Öffnungen eingebracht sind. Hierdurch ist insbesondere eine sogenannte Jet-in-Crossflow-Mischung realisiert, bei der der Brennstoff im Wesentlichen senkrecht zur Luft eingeströmt wird.The fuel lance is advantageously used for the injection of natural gas, which is provided by means of the radial outlet openings for mixing. In this case, radial is understood to mean that the fuel lance extends in the direction of flow, that is to say axially, and radially has a jacket surface in which suitable, for example round, openings are made. As a result, in particular a so-called jet-in-crossflow mixture is realized, in which the fuel is flowed substantially perpendicular to the air.

Die Austrittsöffnungen sind bevorzugterweise auf einer gemeinsamen Position in axialer Richtung und gleichmäßig in Umfangsrichtung der Brennstofflanze verteilt. Alternativ ist jedoch eine andere geeignete Anordnung gewählt. Beispielsweise sind Austrittsöffnungen an mehreren Positionen in axialer Richtung hintereinander angeordnet.The outlet openings are preferably distributed in a common position in the axial direction and uniformly in the circumferential direction of the fuel lance. Alternatively, however, another suitable arrangement is chosen. For example, outlet openings are arranged at several positions in the axial direction one behind the other.

Ebenfalls in Strömungsrichtung, das heißt in axialer Richtung erstreckt sich das Außenrohr, das die Brennstofflanze umgibt. Dabei umgibt das Außenrohr die Brennstofflanze in axialer Richtung bevorzugt lediglich teilweise, das heißt, die Brennstofflanze steht in Strömungsrichtung vor. Hierdurch ist es insbesondere möglich, die radialen Austrittsöffnungen außerhalb eines von dem Außenrohr überdeckten Bereiches der Brennstofflanze anzuordnen, wodurch insbesondere das Vermischen mit Luft verbessert ist. Alternativ sind die radialen Austrittsöffnungen jedoch von dem Außenrohr überdeckt oder es sind sowohl überdeckte, wie nicht überdeckte Austrittsöffnungen vorhanden.Also in the flow direction, ie in the axial direction extends the outer tube surrounding the fuel lance. In this case, the outer tube surrounds the fuel lance in the axial direction preferably only partially, that is, the fuel lance is in the flow direction. This makes it possible, in particular, to arrange the radial outlet openings outside a region of the fuel lance covered by the outer tube, which in particular improves the mixing with air. Alternatively, however, the radial outlet openings are covered by the outer tube or there are both covered, as not covered outlet openings available.

Das Außenrohr dient vorzugsweise zur axialen Eindüsung des zweiten Brennstoffes, beispielsweise Wasserstoff oder eines wasserstoffhaltigen Brenngases. Durch die axiale Eindüsung ist es insbesondere möglich, einen Brennstoff mittels eines im Vergleich zu Erdgas größeren Volumenstromes einzudüsen. Vorteilhafterweise ist weiterhin ein luftseitiger Druckverlust, wie dieser möglicherweise bei einer radialen Eindüsung vorliegt, reduzierbar oder gänzlich vermeidbar.The outer tube is preferably used for axial injection of the second fuel, for example hydrogen or a hydrogen-containing fuel gas. Due to the axial injection, it is in particular possible to inject a fuel by means of a larger volume flow compared to natural gas. Advantageously, furthermore, an air-side pressure loss, as may possibly occur in the case of radial injection, can be reduced or avoided altogether.

Zur Verbesserung einer Vermischung zweier der oder aller Gase miteinander ist wenigstens ein Wirbelerzeuger vorgesehen, das heißt in dem Brenner angeordnet. Mittels des Wirbelerzeugers ist die Vermischung insbesondere dadurch erreichbar, dass ein Strömungsquerschnitt wenigstens eines der Gase an wenigstens einer Position entlang der Strömungsrichtung verringert ist.To improve a mixing of two or all of the gases with one another, at least one vortex generator is provided, that is to say arranged in the burner. By means of the vortex generator, the mixing can be achieved, in particular, by reducing a flow cross-section of at least one of the gases at at least one position along the flow direction.

Beispielsweise durchströmt die Luft in Strömungsrichtung an einer ersten Position eine erste Fläche, die quer, das heißt im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung orientiert ist. Die erste Fläche entspricht dabei dem Strömungsquerschnitt an der ersten Position. Beispielsweise ist nun an einer zweiten Position stromab der ersten Position ein Wirbelerzeuger angeordnet, welcher der Luft eine zusätzliche Blockierungsfläche entgegensetzt, wodurch die von der Luft an der zweiten Position durchströmte zweite Fläche kleiner ist, als die erste Fläche. Mit anderen Worten: der Strömungsquerschnitt ist an der zweiten Position geringer, als an der ersten Position. Beispielsweise ist der Wirbelerzeuger eine bezüglich der Strömungsrichtung angestellte Fläche. Dabei weist der Wirbelerzeuger geeigneterweise eine Kontur auf, vorzugsweise wenigstens eine Kante, zur Erzeugung von Turbulenzen. Diese dienen insbesondere der Vermischung des nun verwirbelten Gases mit einem zweiten Gas. Zweckmäßigerweise ist hierdurch die Vermischung des ersten und/oder des zweiten Brennstoffes mit der Luft und/oder die Vermischung der Brennstoffe miteinander verbessert. Insgesamt ist daher durch die Anordnung der Wirbelerzeuger bei einer Mehrstoff-Brennstoffdüse eine effiziente Vermischung der Gase im Betrieb aufgrund der erzeugten Turbulenzen erreicht, unabhängig von der jeweiligen Betriebsart, welches Gas also aktuell als Brennstoff eingesetzt ist.For example, the air flows in the flow direction at a first position, a first surface, which is oriented transversely, that is substantially perpendicular to the flow direction. The first surface corresponds to the flow cross-section at the first position. For example, a vortex generator is now arranged at a second position downstream of the first position, which opposes the air with an additional blocking surface, whereby the second surface through which the air flows at the second position is smaller than the first surface. In other words, the flow area is smaller at the second position than at the first position. By way of example, the vortex generator is a surface which is set in relation to the flow direction. It points the vortex generator suitably has a contour, preferably at least one edge, for generating turbulence. These are used in particular for mixing the now swirled gas with a second gas. Expediently, this improves the mixing of the first and / or the second fuel with the air and / or the mixing of the fuels with one another. Overall, therefore, the arrangement of the vortex generator in a multi-fuel nozzle efficient mixing of the gases in operation due to the generated turbulence is achieved, regardless of the respective mode, which gas is currently used as fuel.

Beim erfindungsgemäßen Brenner ist wenigstens ein Wirbelerzeuger auf der Brennstofflanze angebracht. Insbesondere bei Verwendung des Wirbelerzeugers zur Verwirbelung des mittels der Brennstofflanze eingedüsten ersten Brennstoffes ist vorteilhafterweise der Wirbelerzeuger auf die Anforderungen dieses Brennstoffes angepasst. Bei Austausch des ersten Brennstoffes und somit möglicherweise veränderten Anforderungen an die Vermischung mit Luft ist es dadurch insbesondere möglich, durch Austauschen der Brennstofflanze gleichzeitig auch den Wirbelerzeuger auszutauschen.In the burner according to the invention at least one vortex generator is mounted on the fuel lance. In particular, when using the vortex generator for turbulence of the fuel injected by the fuel lance first fuel advantageously the vortex generator is adapted to the requirements of this fuel. When exchanging the first fuel and thus possibly changed requirements for mixing with air, it is thereby possible in particular to replace the turbulizer by exchanging the fuel lance at the same time.

Ferner ist beim erfindungsgemäßen Brenner wenigstens ein Wirbelerzeuger stromauf der radialen Austrittsöffnungen und stromab der axialen Austrittsöffnung angeordnet. Hierdurch lässt sich insbesondere eine Verwirbelung der Luft und/oder des zweiten Brennstoffes erzielen ohne dass der Wirbelerzeuger die Strömung des ersten Brennstoffes direkt beeinflusst. Dabei wird unter direkter Beeinflussung verstanden, dass der betreffende Wirbelerzeuger von dem durch diesen beeinflussten Gas angeströmt wird.Furthermore, in the burner according to the invention, at least one vortex generator is arranged upstream of the radial outlet openings and downstream of the axial outlet opening. This makes it possible, in particular, to achieve turbulence of the air and / or of the second fuel without the vortex generator directly influencing the flow of the first fuel. It is understood by direct influence that the respective vortex generator is affected by the gas influenced by this.

Schließlich weist die Vormischkammer des erfindungsgemäßen Brenners einen Querschnitt und ein Ende auf, wobei im Hinblick auf eine gute Durchmischung von Brennstoff und Luft der Abstand der ersten Austrittsöffnungen vom Ende der Vormischkammer mindestens dreimal so groß ist, wie der Querschnitt der Vormischkammer. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Länge der Strecke, auf der Brennstoff und Luft sich mischen können, ausreichend groß ist.Finally, the premixing chamber of the burner according to the invention has a cross section and an end, wherein with a view to a good mixing of fuel and air, the distance of the first outlet openings from the end of the premixing chamber at least three times as large as the cross section of the premixing chamber. This ensures that the length of the route, on which fuel and air can mix, is sufficiently large.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Brennstofflanze und das Außenrohr konzentrisch angeordnet. Insbesondere sind die Brennstofflanze und das Außenrohr im Wesentlichen zylinderförmig ausgeführt und weisen eine gemeinsame Längsachse auf. Das Außenrohr ist dabei bevorzugt als Rohr mit einem quer zur Längsachse ringförmigen Profil ausgebildet. Zweckmäßigerweise erstreckt sich die Längsachse in Strömungsrichtung. Insbesondere strömen der zweite Brennstoff und die Luft jeweils in Strömungsrichtung. Mit anderen Worten, die Luft und der zweite Brennstoff werden axial eingeströmt oder eingedüst. Dagegen wird der erste Brennstoff bevorzugt radial eingedüst.In a preferred embodiment, the fuel lance and the outer tube are arranged concentrically. In particular, the fuel lance and the outer tube are designed substantially cylindrical and have a common longitudinal axis. The outer tube is preferably formed as a tube with an annular profile transverse to the longitudinal axis. Appropriately, the longitudinal axis extends in the flow direction. In particular, the second fuel and the air flow in each case in the flow direction. In other words, the air and the second fuel are flowed in or injected axially. In contrast, the first fuel is preferably injected radially.

In einer geeigneten Ausführungsform ist wenigstens ein Wirbelerzeuger keilförmig ausgestaltet. Dabei wird unter keilförmig verstanden, dass der Wirbelerzeuger eine Fläche aufweist, die sich schräg zur axialen Richtung und insbesondere schräg zur Strömungsrichtung erstreckt. Beispielsweise ist die Fläche rechteckig ausgebildet. Alternativ ist die Fläche dreieckig ausgebildet, wobei eine Seite des Dreiecks quer zur Strömungsrichtung verläuft. Die beiden verbleibenden Seiten laufen entweder in oder entgegen der Strömungsrichtung auf eine Spitze des Dreiecks zu. Insbesondere wird unter keilförmig auch tetraederförmig verstanden.In a suitable embodiment, at least one vortex generator is wedge-shaped. It is understood by wedge-shaped that the vortex generator has a surface which extends obliquely to the axial direction and in particular obliquely to the flow direction. For example, the surface is rectangular. Alternatively, the surface is triangular, with one side of the triangle extending transversely to the flow direction. The two remaining sides either run in or against the flow direction to a tip of the triangle. In particular, wedge-shaped is also understood to mean tetrahedral.

Anstelle einer keilförmigen Ausgestaltung sind weiterhin andere geometrische Formen geeignet. Auch ist der Wirbelerzeuger möglicherweise als massiver Körper oder aus verschiedenen Flächenelementen zusammengesetzt oder auch mehrteilig ausgebildet. Wesentlich dabei ist, dass mittels des Wirbelerzeugers der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung einstellbar ist, insbesondere um Turbulenzen im Strömungsverlauf des den Wirbelerzeuger anströmenden Gases zu erzeugen. Dabei wird unter einstellbar insbesondere verstanden, dass die genaue Ausgestaltung und Ausrichtung des Wirbelträgers bei dessen Herstellung und Montage festgelegt wird.Instead of a wedge-shaped configuration, other geometric shapes are still suitable. Also, the vortex generator is possibly composed as a solid body or of different surface elements or formed in several parts. It is essential that by means of the vortex generator of the flow cross-section in the flow direction is adjustable, in particular to produce turbulence in the flow of the gas flowing the vortex generator. It will Under adjustable in particular understood that the exact design and orientation of the Wirbelträgers is determined during its manufacture and assembly.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens ein Wirbelerzeuger an dem Außenrohr angebracht. Dabei ist der Wirbelerzeuger entweder außenseitig auf dem Außenrohr angebracht, insbesondere zur Verwirbelung der geeigneterweise dort entlang strömenden Luft, oder innenseitig in dem Außenrohr, zur Verwirbelung des vorzugsweise dort entlang strömenden zweiten Brennstoffes.In an advantageous embodiment, at least one turbulizer is attached to the outer tube. In this case, the vortex generator is either externally mounted on the outer tube, in particular for turbulence of the air flowing there suitably along, or inside the outer tube, for turbulence of the second fuel preferably flowing therealong.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vormischkammer eine Innenwand, auf der wenigstens ein Wirbelerzeuger angebracht ist. Dadurch lässt sich insbesondere eine von der Brennstoffdüse im Wesentlichen unabhängige Verwirbelung erzielen.In a further advantageous embodiment, the premixing chamber comprises an inner wall, on which at least one vortex generator is mounted. In this way, in particular, a turbulence substantially independent of the fuel nozzle can be achieved.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens ein Wirbelerzeuger stromab der radialen Austrittsöffnungen angeordnet. Mit anderen Worten: wenigstens ein Wirbelerzeuger ist stromab jeglicher Austrittsöffnungen angeordnet, wodurch dieser Wirbelerzeuger insbesondere jedes der eingeströmten Gase beeinflusst, das heißt insbesondere verwirbelt.In a further advantageous embodiment, at least one vortex generator is arranged downstream of the radial outlet openings. In other words, at least one vortex generator is arranged downstream of any outlet openings, as a result of which this vortex generator influences in particular each of the inflowing gases, that is, in particular, swirls.

Mehrere oder alle der oben genannten Ausgestaltungen bezüglich der Positionierung der Wirbelerzeuger sind in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kombiniert. Dadurch sind insbesondere auch die entsprechend genannten Vorteile kombiniert. Beispielsweise ist wenigstens ein Wirbelerzeuger stromab der axialen Austrittsöffnung und stromauf der radialen Austrittsöffnungen sowie auf der Brennstofflanze angeordnet. Alternativ oder zusätzlich sind beispielsweise mehrere Wirbelerzeuger in axialer Richtung an verschiedenen Positionen auf der Brennstofflanze angeordnet.Several or all of the above-mentioned embodiments relating to the positioning of the vortex generators are combined in a further advantageous embodiment. As a result, in particular, the corresponding advantages are combined. For example, at least one vortex generator is arranged downstream of the axial outlet opening and upstream of the radial outlet openings and on the fuel lance. Alternatively or additionally, for example, a plurality of vortex generators are arranged in the axial direction at different positions on the fuel lance.

Desweiteren ist es möglich, mehrere Wirbelerzeuger vorteilhaft in Gruppen anzuordnen, beispielsweise in Reihe, in axialer Richtung hintereinander oder versetzt; oder in einer Ebene, das heißt insbesondere sowohl nebeneinander (beispielsweise in Umfangsrichtung) als auch hintereinander. Auch ist es möglich, dass mehrere Wirbelerzeuger vorteilhaft unterschiedliche Geometrien und/oder Abmessungen aufweisen.Furthermore, it is possible to advantageously arrange a plurality of vortex generators in groups, for example in series, in axial Direction one behind the other or offset; or in a plane, that is, in particular both side by side (for example, in the circumferential direction) and in succession. It is also possible that several vortex generators advantageously have different geometries and / or dimensions.

Bevorzugterweise sind mehrere Wirbelerzeuger an etwa gleicher Position in axialer Richtung und entlang einer Umlaufrichtung bezüglich der Längsachse angeordnet. Beispielsweise sind mehrere Wirbelerzeuger auf dem Umfang des Außenrohres derart angeordnet, dass alle in Umlaufrichtung zwischen benachbarten Wirbelerzeugern liegenden Abstände gleich groß sind.Preferably, a plurality of vortex generators are arranged at approximately the same position in the axial direction and along a circumferential direction with respect to the longitudinal axis. For example, a plurality of vortex generators are arranged on the circumference of the outer tube such that all lying in the direction of rotation between adjacent vortex generators distances are equal.

Insbesondere ist es möglich, die paarweise Verwirbelung der verschiedenen Gase durch geeignete Kombination von mehreren, insbesondere verschiedenen Wirbelerzeugern vorteilhaft zu beeinflussen. Beispielsweise ist auf dem Außenrohr eine Anzahl von Wirbelerzeugern angebracht zur Verwirbelung der Luft und zur verbesserten Vermischung mit stromab davon axial eingedüstem Wasserstoff. Um weiterhin die Verwirbelung von Erdgas mit Luft zu optimieren, sind beispielsweise zusätzlich Wirbelerzeuger stromab der radialen Austrittsöffnungen angebracht.In particular, it is possible to favorably influence the pairwise turbulence of the various gases by suitable combination of a plurality of, in particular different vortex generators. For example, a number of vortex generators are mounted on the outer tube for entangling the air and for improved mixing with hydrogen injected axially downstream therefrom. To further optimize the turbulence of natural gas with air, for example, vortex generators are mounted downstream of the radial outlet openings.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Außenrohr einen Endbereich auf, der als Lobe-Mixer ausgestaltet ist und eine Anzahl von Lamellen umfasst. Diese erstrecken sich insbesondere in Strömungsrichtung und als radial ausgebildete Falten. Dadurch ergibt sich quer zur Längsachse ein insbesondere sternförmiger Querschnitt (oder auch ein sternförmiges Profil). In Umfangsrichtung ist dabei zwischen jeweils zwei Lamellen ein Zwischenraum ausgebildet, durch die insbesondere der Strömungsquerschnitt der Luft stromab vorteilhaft vergrößert ist.In an advantageous development, the outer tube has an end region which is designed as a lobe mixer and comprises a number of lamellae. These extend in particular in the flow direction and as radially formed folds. This results transversely to the longitudinal axis, in particular a star-shaped cross section (or a star-shaped profile). In the circumferential direction, a gap is formed between each two slats through which in particular the flow cross-section of the air downstream is advantageously increased.

Die Lamellen weisen in radialer Richtung jeweils einen Scheitel auf, der sich im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckt. Das heißt insbesondere, dass der radiale Abstand zwischen Scheitel und Längsachse in Strömungsrichtung im Wesentlichen konstant ist. Insbesondere weist das Außenrohr einen Außenmantel auf und die Scheitel der Lamellen fluchten im Wesentlichen mit dem Außenmantel. Dabei ist es möglich, dass eine geringe Neigung oder Steigung in axialer Richtung vorgesehen ist.The lamellae each have a vertex in the radial direction, which extends substantially in the axial direction. This means in particular that the radial distance between vertex and longitudinal axis in the flow direction is substantially constant. In particular, the outer tube has an outer sheath and the vertexes of the lamellae are substantially aligned with the outer sheath. It is possible that a slight inclination or slope is provided in the axial direction.

Eine Vermischung des zweiten Brennstoffes mit Luft ist vorteilhaft dadurch erzielt, dass diese einer Strömung in Strömungsrichtung folgt, die am Ende des Endbereiches abreißt. Insbesondere weist der sternförmige Querschnitt des Endbereiches am Ende eine gegenüber dem Außenrohr verlängerte (und entsprechend sternförmige) Konturlinie auf. Hierdurch ist vorteilhafterweise eine im Vergleich zum Umfang des Außenrohres größere Kante zum Strömungsabriss bereitgestellt.A mixing of the second fuel with air is advantageously achieved in that it follows a flow in the flow direction, which breaks off at the end of the end region. In particular, the star-shaped cross section of the end region has at the end a contour line which is elongated with respect to the outer tube (and correspondingly star-shaped). This advantageously provides a larger edge in comparison to the circumference of the outer tube for stalling.

In einer geeigneten Weiterbildung ist der Endbereich derart verdreht oder verdrillt, dass die Lamellen und somit auch die Scheitel spiralförmig um die Längsachse herum verlaufen. Hierdurch ist es möglich, die an den Lamellen entlang strömende Luft zusätzlich zu verdrallen und somit eine verbesserte Vermischung zu erzielen.In a suitable development, the end region is twisted or twisted in such a way that the lamellae and thus also the apices extend in a spiral around the longitudinal axis. This makes it possible to additionally twist the air flowing along the lamellae and thus to achieve improved mixing.

In einer weiteren geeigneten Weiterbildung ist eine Anzahl der Lamellen zusätzlich als Wirbelerzeuger ausgestaltet. Dazu sind diese Lamellen insbesondere derart ausgeformt, dass deren Scheitel als in axialer Richtung schräg verlaufende Flächen ausgebildet sind. Mit anderen Worten: der Abstand von dem Scheitel einer Lamelle zur Längsachse verändert sich in Strömungsrichtung. Vorzugsweise ist der Abstand in Strömungsrichtung kontinuierlich vergrößert. Dadurch wird insbesondere eine angestellte Fläche mit einer Kante derart geschaffen, dass mittels dieser eine Verwirbelung nach Art eines Wirbelerzeugers erzielbar ist.In a further suitable development, a number of lamellae are additionally designed as vortex generators. For this purpose, these lamellae are in particular formed such that their vertices are formed as inclined in the axial direction surfaces. In other words, the distance from the apex of a lamella to the longitudinal axis changes in the direction of flow. Preferably, the distance in the flow direction is continuously increased. As a result, in particular an employed surface is provided with an edge in such a way that by means of this a turbulence in the manner of a vortex generator can be achieved.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist wenigstens ein Wirbelerzeuger in einem Zwischenraum zwischen zwei Lamellen angeordnet. Der hier genannte Zwischenraum entspricht dabei dem bereits oben genannten Zwischenraum zwischen zwei in Umlaufrichtung des Außenrohres benachbarten Lamellen. Insbesondere ist es durch diese Anordnung möglich, Wirbelerzeuger mit vergleichsweise großen Seitenflächen zu erzeugen, das heißt im Vergleich zu beispielsweise auf einem ringförmigen Rohr ohne Lobe-Mixer angeordneten Wirbelerzeugern. Hierdurch ist die Verwirbelung vorteilhaft beeinflussbar.In an advantageous development, at least one vortex generator is arranged in an intermediate space between two lamellae. The space mentioned here corresponds to the already mentioned above space between two adjacent in the direction of rotation of the outer tube fins. In particular, it is possible by this arrangement to produce vortex generators with comparatively large side surfaces, that is, in comparison to, for example, arranged on an annular tube without lobe mixer vortex generators. As a result, the turbulence can be advantageously influenced.

Zweckmäßigerweise ermöglicht eine Kombination der oben genannten Wirbelerzeuger mit einem der oben genannten Konzepte zur Eindüsung des zweiten Brennstoffes eine verbesserte Mischung der beteiligten Gase. Vorteilhafterweise ist die Mischung sowohl bei gleichzeitiger Eindüsung von erstem und zweitem Brennstoff (beispielsweise Erdgas und Wasserstoff) als auch bei einem Einzelbetrieb, das heißt bei Eindüsung nur eines Brennstoffes (beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff) jeweils verbessert.Conveniently, a combination of the vortex generators mentioned above with one of the above-mentioned concepts for the injection of the second fuel allows an improved mixture of the gases involved. Advantageously, the mixture is improved both with simultaneous injection of first and second fuel (for example natural gas and hydrogen) and in a single operation, that is to say when injecting only one fuel (for example natural gas or hydrogen).

Vorzugsweise umfasst eine Gasturbine einen Brenner mit einem oder mehreren der oben genannten Merkmale, wodurch sich die oben entsprechend genannten Vorteile ergeben. Eine solche Gasturbine ist zudem insbesondere effizienter und weist vorteilhafterweise eine geringere Schadstoffemission auf.Preferably, a gas turbine comprises a burner having one or more of the above features, thereby providing the above-mentioned advantages. In addition, such a gas turbine is in particular more efficient and advantageously has a lower emission of pollutants.

Eine erfindungsgemäße Brennstoffdüse für zwei Brennstoffe weist eine sich in einer Strömungsrichtung erstreckende Brennstofflanze auf. In diese ist eine Anzahl von ersten Austrittsöffnungen für einen ersten Brennstoff eingebracht. Dabei ist die Brennstofflanze von einem Außenrohr umgeben mit wenigstens einer zweiten Austrittsöffnung für einen zweiten Brennstoff, wobei die ersten Austrittsöffnungen radial und die zweite Austrittsöffnung axial ausgerichtet sind, wobei eine Anzahl von Wirbelerzeugern auf der Brennstofflanze angeordnet ist. Wenigstens ein Wirbelerzeuger ist stromauf der ersten Austrittsöffnungen und stromab der zweiten Austrittsöffnung angeordnet.A fuel nozzle according to the invention for two fuels has a fuel lance extending in a flow direction. In this a number of first outlet openings for a first fuel is introduced. The fuel lance is surrounded by an outer tube with at least one second outlet opening for a second fuel, wherein the first outlet openings are radially aligned and the second outlet opening axially, wherein a number of vortex generators is arranged on the fuel lance. At least one vortex generator is arranged upstream of the first outlet openings and downstream of the second outlet opening.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1
in einer Seitenansicht einen Brenner mit einer Brennstoffdüse für zwei Brennstoffe und mehreren auf der Brennstoffdüse angebrachten Wirbelerzeugern,
FIG 2
den Brenner gemäß FIG 1 mit einer alternativen Brennstoffdüse und einer Vormischkammer, an der innenwändig mehrere Wirbelerzeuger angebracht sind,
FIG 3 bis 17
weitere Ausführungsbeispiele der Brennstoffdüse gemäß FIG 1, wobei die Brennstoffdüse in den Figuren 3, 6, 9, 12 und 15 jeweils in Seitenansicht dargestellt ist, in den Figuren 4, 7, 10, 13 und 16 jeweils in Vorderansicht und in den Figuren 5, 8, 11, 14 und 17 jeweils in einer perspektivischen An-sicht, und
FIG 18 bis 23
jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Wirbelgenerators in einer perspektivischen Ansicht.
Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:
FIG. 1
in a side view of a burner with a fuel nozzle for two fuels and a plurality of attached to the fuel nozzle vortex generators,
FIG. 2
according to the burner FIG. 1 with an alternative fuel nozzle and a premixing chamber, on which internally several vortex generators are mounted,
FIGS. 3 to 17
Further embodiments of the fuel nozzle according to FIG. 1 , wherein the fuel nozzle is shown in Figures 3, 6, 9, 12 and 15 respectively in side view, in the FIGS. 4 . 7 . 10 . 13 and 16 each in front view and in the Figures 5 . 8th . 11 . 14 and 17 each in a perspective view, and
FIGS. 18 to 23
in each case an embodiment of a vortex generator in a perspective view.

Eine schematische Darstellung eines Brenners 2, insbesondere für eine Gasturbine 4, zeigen jeweils die FIG 1 und 2. Der Brenner 2 umfasst dabei eine Vormischkammer 6, der in Strömungsrichtung S eine Brennkammer 8 nachgeschaltet ist. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel werden in die Vormischkammer 6 im Betrieb zwei Brennstoffe sowie Luft eingedüst. Zur Eindüsung der Brennstoffe dient eine Brennstoffdüse 10, die sich in Strömungsrichtung S erstreckt. Die Luft wird über einen die Brennstoffdüse 10 umgebenden Lufteinlasskanal 12 in Strömungsrichtung S eingeströmt.A schematic representation of a burner 2, in particular for a gas turbine 4, respectively show the 1 and 2 , The burner 2 in this case comprises a premixing chamber 6, which is followed by a combustion chamber 8 in the flow direction S. In the exemplary embodiment shown here, two fuels and air are injected into the premixing chamber 6 during operation. For injecting the fuel is a fuel nozzle 10, which extends in the flow direction S. The air is flown in through a fuel inlet duct 12 surrounding the fuel nozzle 10 in the flow direction S.

Die Brennstoffdüse 10 umfasst eine Brennstofflanze 14 und ein diese umgebendes Außenrohr 16, wobei die Brennstofflanze 14 in Strömungsrichtung S und bezüglich des Außenrohres 16 vorsteht. Die Brennstofflanze 14 und das Außenrohr 16 sind in der hier gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen zylinderförmig ausgestaltet, das heißt, diese weisen quer zur Strömungsrichtung S einen kreis- oder ringförmigen Querschnitt auf. Insbesondere sind die Brennstofflanze 14 und das Außenrohr 16 konzentrisch angeordnet und weisen entsprechend eine gemeinsame Längsachse L auf, die in Strömungsrichtung S verläuft.The fuel nozzle 10 comprises a fuel lance 14 and an outer tube 16 surrounding it, the fuel lance 14 projecting in the flow direction S and with respect to the outer tube 16. The fuel lance 14 and the outer tube 16 are in The embodiment shown here is designed substantially cylindrical, that is, these have transversely to the flow direction S a circular or annular cross-section. In particular, the fuel lance 14 and the outer tube 16 are arranged concentrically and accordingly have a common longitudinal axis L, which extends in the flow direction S.

Die Brennstofflanze 14 weist eine Anzahl von radialen Austrittsöffnungen 18 auf. Diese sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel kreisförmig ausgeführt und auf einer gemeinsamen Position in axialer Richtung, das heißt in Strömungsrichtung S angeordnet. Dabei sind die Austrittsöffnungen 18 in einer Umfangsrichtung U und insbesondere gleichmäßig verteilt. Die radialen Austrittsöffnungen 18 dienen insbesondere der Eindüsung des ersten Brennstoffes, beispielsweise Erdgas.The fuel lance 14 has a number of radial outlet openings 18. These are circular in the embodiment shown here and arranged in a common position in the axial direction, ie in the flow direction S. In this case, the outlet openings 18 are distributed in a circumferential direction U and in particular uniformly. The radial outlet openings 18 are used in particular for the injection of the first fuel, for example natural gas.

Das Außenrohr 16 weist einen größeren Durchmesser auf, als die Brennstofflanze 14, wodurch in axialer Richtung eine insbesondere ringförmige, axiale Austrittsöffnung 20 realisiert ist. Mittels dieser wird der zweite Brennstoff in die Vormischkammer 6 eingedüst. Das heißt, der zweite Brennstoff umströmt insbesondere auch die Brennstofflanze 14.The outer tube 16 has a larger diameter than the fuel lance 14, whereby in the axial direction a particular annular, axial outlet opening 20 is realized. By means of this, the second fuel is injected into the premixing chamber 6. That is, the second fuel in particular flows around the fuel lance 14.

In FIG 1 ist auf der Brennstofflanze 14 eine Anzahl von Wirbelerzeugern 22 befestigt. Dabei sind diese stromab der axialen Austrittsöffnung 20 und stromauf der radialen Austrittsöffnungen 18 angeordnet. Die Wirbelerzeuger 22 sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel tetraederförmig ausgeführt (vgl. hierzu insbesondere auch FIG 20).In FIG. 1 is mounted on the fuel lance 14 a number of vortex generators 22. These are arranged downstream of the axial outlet opening 20 and upstream of the radial outlet openings 18. The vortex generators 22 are of tetrahedral design in the exemplary embodiment shown here (cf. FIG. 20 ).

FIG 1 zeigt ferner, dass die Vormischkammer 6 einen Querschnitt 50 und ein Ende 52 aufweist und der Abstand der ersten Austrittsöffnungen 18 vom Ende 52 der Vormischkammer 6 mindestens dreimal so groß ist, wie der Querschnitt 50 der Vormischkammer 6. FIG. 1 shows that the premixing chamber 6 has a cross section 50 and an end 52 and the distance of the first outlet openings 18 from the end 52 of the premixing chamber 6 is at least three times as large as the cross section 50 of the premixing chamber 6.

In einer alternativen bzw. ergänzenden Ausgestaltung gemäß FIG 2 sind die Wirbelerzeuger 22 gemäß FIG 1 innenwändig an der Vormischkammer 6 befestigt. Dabei sind die Wirbelerzeuger 22 an einer Position stromab der radialen Austrittsöffnungen angeordnet.In an alternative or additional embodiment according to FIG. 2 are the vortex generators 22 according to FIG. 1 attached internally to the premixing chamber 6. In this case, the vortex generators 22 are arranged at a position downstream of the radial outlet openings.

In beiden in den FIG 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen weisen die Wirbelerzeuger 22 jeweils eine bezüglich der Strömungsrichtung S angestellte Fläche 24 auf, die hier dreieckig ist und entgegen der Strömungsrichtung S auf die Längsachse L zuläuft. Diese Anordnung wird auch als vorwärts gerichtet bezeichnet. In einer alternativen, hier nicht gezeigten Ausführungsform sind die Wirbelerzeuger 22 dagegen rückwärts gerichtet, das heißt um 180° derart gedreht, dass die Fläche 24 in Strömungsrichtung S auf die Längsachse L zuläuft.In both in the 1 and 2 illustrated embodiments, the vortex generators 22 each have a respect to the flow direction S salaried surface 24, which is triangular here and counter to the flow direction S to the longitudinal axis L tapers. This arrangement is also referred to as forward directed. In an alternative, not shown embodiment, however, the vortex generators 22 are directed backwards, that is rotated by 180 ° such that the surface 24 in the flow direction S to the longitudinal axis L tapers.

Durch die Fläche 24 werden hier insbesondere jeweils zwei Kanten 26 gebildet, an denen im Betrieb insbesondere eine Verwirbelung erzeugt wird. Zudem ist insbesondere durch die Vormischkammer 6 und die darin angeordneten Elemente sowie quer zur Strömungsrichtung S ein Strömungsquerschnitt Q definiert, der durch die Wirbelerzeuger 22 in Strömungsrichtung S verändert ist. Beispielsweise ist in FIG 1 der Strömungsquerschnitt Q an einer ersten Position P1 durch die Vormischkammer 6 und die Brennstofflanze 14 definiert. An dieser ersten Position P1 ist der Strömungsquerschnitt Q insbesondere größer als an einer zweiten Position P2, an der in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die Wirbelerzeuger 22 angeordnet sind. Vorteilhaferweise ist es möglich, durch geeignete Ausgestaltung der Wirbelerzeuger 22 den Strömungsquerschnitt Q einzustellen und damit insbesondere die Vermischung der Gase geeignet zu beeinflussen.In particular, in each case two edges 26 are formed by the surface 24, on which in particular a turbulence is generated during operation. In addition, in particular by the premixing chamber 6 and the elements arranged therein as well as transversely to the flow direction S, a flow cross-section Q is defined, which is changed by the vortex generators 22 in the flow direction S. For example, in FIG. 1 the flow cross-section Q is defined at a first position P1 by the premixing chamber 6 and the fuel lance 14. At this first position P1, the flow cross-section Q is in particular greater than at a second position P2 at which the vortex generators 22 are arranged in the exemplary embodiment shown here. Advantageously, it is possible by suitable design of the vortex generator 22 to adjust the flow cross-section Q and thus to influence in particular the mixing of the gases suitable.

Die FIG 3 bis 17 zeigen schematisch weitere Ausführungsbeispiele einer Brennstoffdüse 14. Dabei zeigen die FIG 3, 6, 9, 12 und 15 jeweils die Brennstoffdüse 14 in einer Seitenansicht und zu jedem der Gase eine durch Pfeile verdeutlichte Einströmrichtung 28, 30, 32. Dabei wird der erste Brennstoff in der Einströmrichtung 28 radial eingeströmt und der zweite Brennstoff sowie die Luft werden in den Einströmrichtungen 30, 32 axial eingeströmt. Durch die axiale Einströmung wird in der Vormischkammer 6 insbesondere die generelle Strömungsrichtung S vorgegeben, der auch der erste Brennstoff in hinreichendem Abstand zu den radialen Austrittsöffnungen 18 im Wesentlichen folgt.The FIGS. 3 to 17 schematically show further embodiments of a fuel nozzle 14. This show the FIG. 3 . 6 . 9 . 12 and 15 each of the fuel nozzle 14 in a side view and to each of the gases clarified by arrows Inlet direction 28, 30, 32. In this case, the first fuel in the inflow direction 28 is flowed in radially and the second fuel and the air are flowed axially in the inflow directions 30, 32. Due to the axial inflow, in particular the general flow direction S is predetermined in the premixing chamber 6, which also essentially follows the first fuel at a sufficient distance from the radial outlet openings 18.

Die FIG 4, 7, 10, 13 und 16 zeigen jeweils die entsprechende Brennstofflanze 14 in Vorderansicht, die FIG 5, 8, 11, 14 und 17 zeigen jeweils die entsprechende Brennstofflanze 14 in einer perspektivischen Ansicht.The FIG. 4 . 7 . 10 . 13 and 16 each show the corresponding fuel lance 14 in front view, the FIG. 5 . 8th . 11 . 14 and 17 each show the corresponding fuel lance 14 in a perspective view.

Die in den FIG 3 bis 5 dargestellte Ausführungsform der Brennstoffdüse 10 umfasst eine Anzahl von vorwärts orientierten, tetraederförmigen Wirbelerzeugern 22, die stromab der axialen Austrittsöffnung 20 und stromauf der radialen Austrittsöffnungen 18 auf der Brennstofflanze 14 angebracht sind. Dabei weisen die Wirbelerzeuger 22 jeweils eine Höhe H auf, die hier derart gewählt ist, dass sich der Wirbelerzeuger 22 in radialer Richtung weiter erstreckt, als das Außenrohr 16. Dies ist besonders deutlich in FIG 4 gezeigt. Hierdurch ist es insbesondere möglich, die Wirbelerzeuger 22 direkt mit Luft anzuströmen und diese zu verwirbeln.The in the 3 to 5 illustrated embodiment of the fuel nozzle 10 includes a number of forward oriented tetrahedral vortex generators 22, which are mounted downstream of the axial outlet opening 20 and upstream of the radial outlet openings 18 on the fuel lance 14. In this case, the vortex generators 22 each have a height H which is selected here in such a way that the vortex generator 22 extends further in the radial direction than the outer tube 16. This is particularly evident in FIG FIG. 4 shown. As a result, it is possible, in particular, to supply the vortex generators 22 directly with air and to vortex them.

Die FIG 6 bis 8 zeigen die Brennstoffdüse 10 mit auf dem Außenrohr 16 angebrachten Wirbelerzeugern 22. Diese sind hier vorwärts orientiert und werden von der um das Außenrohr 16 eingeströmten Luft angeströmt. Die Brennstofflanze 14 weist dagegen keine Wirbelerzeuger 22 auf.The FIGS. 6 to 8 show the fuel nozzle 10 with mounted on the outer tube 16 vortex generators 22. These are oriented here forward and are flown by the air flowing around the outer tube 16. By contrast, the fuel lance 14 has no vortex generators 22.

Die FIG 9 bis 11 zeigen die Brennstoffdüse 10 mit einem als Lobe-Mixer ausgebildeten Endbereich 34. Dazu ist im Endbereich 34 eine Anzahl von hier sechs Lamellen 36 ausgeformt. Diese ergeben einen sternförmigen Querschnitt, wie beispielsweise aus FIG 10 deutlich wird. FIG 10 zeigt weiterhin, dass die Lamellen 36 in radialer Richtung das Außenrohr 16 im Wesentlichen nicht überragen.The FIGS. 9 to 11 show the fuel nozzle 10 with a designed as a lobe mixer end portion 34. For this purpose, a number of six blades 36 is formed in the end region 34 here. These give a star-shaped cross-section, such as out FIG. 10 becomes clear. FIG. 10 continues to show that the lamellae 36 do not substantially project beyond the outer tube 16 in the radial direction.

Die Lamellen 36 weisen jeweils einen sich in axialer Richtung erstreckenden Scheitel 38 auf und sind in Umlaufrichtung U durch Zwischenräume 40 insbesondere gleichmäßig beabstandet. Am Ende 42 des Außenrohres 16 bilden die Lamellen 36 eine hier sternförmige Kontur 44, durch die insbesondere auch eine Anzahl von Austrittskanälen 46 realisiert ist. Die axiale Austrittsöffnung 20 umfasst daher in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sechs Austrittskanäle 46.The lamellae 36 each have a vertex 38 extending in the axial direction and, in particular, are evenly spaced in the circumferential direction U by intermediate spaces 40. At the end 42 of the outer tube 16, the lamellae 36 form a star-shaped contour 44, by which in particular a number of outlet channels 46 is realized. The axial outlet opening 20 therefore comprises six outlet channels 46 in the exemplary embodiment shown here.

Wie die FIG 10 und 11 zeigen, können die stromab auf der Brennstofflanze 14 angebrachten Wirbelerzeuger 22 entweder in Strömungsrichtung S auf einen der Austrittskanäle 46 folgen oder versetzt dazu angeordnet sein. Von den hier vorhandenen vier Wirbelerzeugern 22 sind beispielsweise zwei Wirbelerzeuger 22A in einer gedachten Verlängerung von Austrittskanälen 46 angeordnet und zwei Wirbelerzeuger 22B in einer gedachten Verlängerung von Zwischenräumen 40 angeordnet. Durch eine insbesondere derart gestaltete gemischte Anordnung ist es möglich, den jeweiligen Wirbelerzeuger 22 entweder vorrangig zur Verwirbelung der durch einen Zwischenraum 40 strömenden Luft oder vorrangig zur Verwirbelung des durch einen Austrittskanal 46 strömenden zweiten Brennstoffes zu verwenden.As the FIGS. 10 and 11 12, the vortex generators 22 mounted downstream of the fuel lance 14 may either follow or be offset from one of the exit channels 46 in the flow direction S. Of the four vortex generators 22 present here, for example, two vortex generators 22A are arranged in an imaginary extension of outlet channels 46 and two vortex generators 22B are arranged in an imaginary extension of intermediate spaces 40. By means of a particularly so designed mixed arrangement, it is possible to use the respective vortex generator 22 either primarily for swirling the air flowing through a gap 40 or primarily for swirling the flowing through an outlet channel 46 second fuel.

Die FIG 12 bis 14 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Außenrohr 16 der Brennstoffdüse 10 im Endbereich 34 eine Anzahl von hier vier Lamellen 36 aufweist, die gleichzeitig als Wirbelerzeuger 22 ausgeführt sind. Der jeweilige Scheitel 38 einer Lamelle 36 ist als angestellte Fläche 24 ausgebildet und weist zwei die im Wesentlichen dreieckige Fläche 24 begrenzende Kanten 26 auf. Diese erstrecken sich stromab von der Längsachse L weg. Der Endbereich 34 weist eine der Anzahl an Wirbelerzeugern 22 entsprechende Anzahl von Austrittskanälen 46 für den zweiten Brennstoff auf.The FIGS. 12 to 14 show an embodiment in which the outer tube 16 of the fuel nozzle 10 in the end region 34 has a number of four fins 36 here, which are simultaneously designed as a vortex generator 22. The respective apex 38 of a lamella 36 is designed as an employed surface 24 and has two edges 26 delimiting the substantially triangular surface 24. These extend downstream of the longitudinal axis L away. The end region 34 has a number of outlet channels 46 for the second fuel corresponding to the number of vortex generators 22.

Weiterhin sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die radialen Austrittsöffnungen 18 im Wesentlichen direkt stromab des Außenrohres 16 angeordnet. Eine jeweilige radiale Austrittsöffnung 18 ist dabei entweder in einer gedachten Verlängerung eines Zwischenraumes 40 oder in einer gedachten Verlängerung eines Austrittskanales 46 angeordnet.Furthermore, in the exemplary embodiment shown here, the radial outlet openings 18 are arranged substantially directly downstream of the outer tube 16. A respective radial outlet opening 18 is arranged either in an imaginary extension of an intermediate space 40 or in an imaginary extension of an outlet channel 46.

Eine alternative Ausführungsform mit sowohl Wirbelerzeugern 22 als auch Lamellen 36 im Endbereich 34 des Außenrohres 16 ist in den FIG 15 bis 17 dargestellt. Dabei ist jeweils ein Wirbelerzeuger 22 im Zwischenraum 40 zwischen zwei benachbarten Lamellen 36 angeordnet. Die Wirbelerzeuger 22 sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel bis zum Ende 42 des Außenrohres 16 ausgebildet, das heißt insbesondere die Wirbelerzeuger 22 fluchten in radialer Richtung mit dem Ende 42 des Außenrohres 16. Entgegen den in den FIG 12 bis 14 gezeigten Wirbelerzeugern 22 weisen die in den FIG 15 bis 17 gezeigten Wirbelerzeuger 22 endseitig keine Austrittskanäle 46 auf.An alternative embodiment with both vortex generators 22 and fins 36 in the end region 34 of the outer tube 16 is in the FIGS. 15 to 17 shown. In each case, a vortex generator 22 is arranged in the intermediate space 40 between two adjacent lamellae 36. The vortex generators 22 are formed in the embodiment shown here to the end 42 of the outer tube 16, that is, in particular the vortex generators 22 are aligned in the radial direction with the end 42 of the outer tube 16. Contrary to those in the FIGS. 12 to 14 shown turbulators 22 have in the FIGS. 15 to 17 vortex generator 22 shown at the end no outlet channels 46.

Die FIG 18 bis 23 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel für einen Wirbelerzeuger 22. Dabei ist die tatsächliche Ausführung nicht auf die hier gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.The FIGS. 18 to 23 each show an embodiment of a vortex generator 22. In this case, the actual design is not limited to the embodiments shown here.

Die FIG 18 und 19 zeigen jeweils eine bezüglich einer Strömungsrichtung S angestellte dreieckige beziehungsweise rechteckige Fläche 24. Die FIG 20 und 21 zeigen ähnlich ausgestaltete Wirbelerzeuger 22, diese sind hier jedoch als Vollkörper ausgebildet und weisen entsprechende Seitenflächen 48 auf. Dagegen umfassen die in den FIG 22 und 23 gezeigten Wirbelerzeuger 22 jeweils zwei, insbesondere separat gefertigte Seitenflächen 48, die bezüglich der Strömungsrichtung S angestellt sind. In den FIG 18 bis 23 sind die Wirbelerzeuger 22 bezüglich der Strömungsrichtung S jeweils vorwärts orientiert. Alternativ sind die Wirbelerzeuger 22 jedoch rückwärts orientiert, das heißt bezüglich der Strömungsrichtung S um 180° gedreht (der die Strömungsrichtung S anzeigende Pfeil in den FIG 18 bis 23 weist dann in die entgegengesetzte Richtung) .The FIGS. 18 and 19 each show one with respect to a flow direction S employed triangular or rectangular surface 24. Die FIG. 20 and 21 show similarly configured vortex generator 22, but these are formed here as a solid body and have corresponding side surfaces 48. In contrast, those in the FIGS. 22 and 23 shown turbulators 22 each have two, in particular separately manufactured side surfaces 48, which are employed with respect to the flow direction S. In the FIGS. 18 to 23 the vortex generators 22 are respectively oriented forward with respect to the flow direction S. Alternatively, however, the vortex generators 22 are oriented backwards, that is, rotated by 180 ° with respect to the flow direction S (the arrow indicating the flow direction S in FIG the FIGS. 18 to 23 then points in the opposite direction).

Claims (11)

  1. Burner nozzle (10) for two fuels, wherein the fuel nozzle (10) has a fuel lance (14) extending in a direction of flow (S) into which a number of first outlet orifices (18) for a first fuel are introduced, and the fuel lance (14) is surrounded by an outer pipe (16) with at least one second outlet orifice (20) for a second fuel, wherein the first outlet orifices (18) are oriented radially and the second outlet orifice (20) is oriented axially, wherein a number of vortex generators (22) are arranged on the fuel lance (14),
    characterized in that at least one vortex generator (22) is arranged upstream of the first outlet orifices (18) and downstream of the second outlet orifice (20).
  2. Burner (2) having a plurality of premixing chambers (6) each with a fuel nozzle (10) according to Claim 1, wherein a flow cross section (Q) is formed between the fuel lance (14) and the inside of the premixing chamber (6) and wherein the vortex generators (22) arranged on the fuel lance (14) reduce the flow cross section (Q) oriented transversely of the direction of flow (S),
    characterized in that the premixing chamber (6) has a cross section (50) and an end (52) and the distance between the first outlet orifices (18) and the end (52) of the premixing chamber (6) is at least three times as great as the cross section (50) of the premixing chamber (6).
  3. Burner (2) according to Claim 2,
    characterized in that the fuel lance (14) and the outer pipe (16) are arranged concentrically.
  4. Burner (2) according to one Claims 2 and 3,
    characterized in that at least one vortex generator (22) is of wedge-shaped configuration.
  5. Burner (2) according to one of Claims 2 to 4,
    characterized in that at least one vortex generator (22) is mounted on the outer pipe (16).
  6. Burner (2) according to one of Claims 2 to 5,
    characterized in that at least one vortex generator (22) is arranged downstream of the radial outlet orifices (18).
  7. Burner (2) according to one of Claims 2 to 6,
    characterized in that at least one vortex generator (22) is mounted on the internal walls of the premixing chamber (6).
  8. Burner (2) according to one of Claims 2 to 7,
    characterized in that the outer pipe (16) comprises an end region (34) which is configured as a lobe mixer and comprises a number of lobes (36).
  9. Burner (2) according to the preceding claim,
    characterized in that a number of lobes (36) are configured as vortex generators (22).
  10. Burner (2) according to one of the two preceding claims,
    characterized in that at least one vortex generator (22) is arranged in an interspace (40) between two lobes (36).
  11. Gas turbine (4) having a burner (2) according to one of Claims 2 to 10.
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