BRENNERSYSTEM, VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES BRENNERSYSTEMS UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Brennersystem (1) mit einem entlang einer Längsachse (L) ausgerichteten Brennraum (3) und einer Brennkammerwand (4), und mit zumindest einer über eine Stirnwand (6) in den Brennraum (3) mündenden Zufuhrdüse (10) zur Zugabe von Frischgasen (8) in den Brennraum (3), wobei das Brennersystem (1) derart ausgelegt ist, dass sich im Betrieb innerhalb des Brennraums (3) eine, insbesondere großräumige, Rezirkulationszone (5) aus heißen Verbrennungsprodukten (20) mit einer heißen Staupunktströmung (26) umfassend einen der Brennkammerwand (4) gegenüberliegenden Staupunkt (28) ausbildet. Eine vorteilhafte Kühlung wird dadurch bereitgestellt, dass in der Brennkammerwand (4) gegenüberliegend der Position der Rezirkulationszone (5) zumindest eine Kühldüse (14) mit einer an ihrem stromabseitigen Ende angeordneten Kühlmedienöffnung (16) ausgebildet ist, mittels welcher Kühlmedium (18) zur Kühlung der Brennkammerwand (4) in den Brennraum (3) zuführbar ist, wobei die Kühldüse (14) zur Erzeugung einer koaxial zu der heißen Staupunktströmung (26) ausgerichteten Strömung an Kühlmedium (18) ausgebildet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Brennersystem, insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbine, mit einem entlang einer Längsachse ausgerichteten Brennraum und einer Brennkammerwand umfassend eine eingangsseitig des Brennraums angeordnete Stirnwand, und mit zumindest einer über die Stirnwand in den Brennraum mündenden Zufuhrdüse zur Zugabe von Frischgasen, Brennstoff und/oder Oxidator, in den Brennraum, wobei das Brennersystem derart ausgelegt ist, dass sich im Betrieb zur Stabilisierung des Verbrennungsprozesses innerhalb des Brennraums eine, insbesondere großräumige, Rezirkulationszone aus heißen Verbrennungsprodukten mit einer heißen Staupunktströmung umfassend einen der Brennkammerwand, insbesondere der Stirnwand, gegenüberliegenden Staupunkt ausbildet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennersystems und ein Verfahren zur Herstellung.

[0002] Solchen Brennersystemen sind z. B. insbesondere jet-stabilisierte Brennersysteme zuzuordnen, die zur, insbesondere unverdrallten, Hochgeschwindigkeitsverbrennung ausgebildet sind. Dabei wird die Verbrennungszone in dem Brennraum im Betrieb durch eine stationäre, großräumige, brennkammerinterne Rezirkulation von Abgas stabilisiert, die sich aufgrund der Einbringung von Oxidator-/Brennstoffstrahlen mit einem ausreichend hohen axialen Impuls in die Brennkammer ausbildet. Die Rezirkulation bringt das verbrannte, heiße Abgas zurück an die Strahlwurzel nahe der Zufuhrdüsen und vermischt es mit den eintretenden Frischgasen. Bei einer bekannten, ringförmigen Anordnung der Zufuhrdüsen besteht die Rezirkulationszone in der Regel im Wesentlichen toroidal und radial innerhalb des Düsenrings, mit in einer entlang der Mittelachse verlaufenden Rückströmung.

[0003] Durch die Rezirkulationszone bildet sich eine in Richtung der Stirnwand gerichtete, heiße Staupunktströmung aus den Verbrennungsprodukten aus. Auf diese Weise werden die heißen Verbrennungsprodukte an die Stirnwand des Brennersystems konvektiert und verursachen dort eine hohe thermische Belastung.

[0004] Ein jet-stabilisiertes Brennersystem der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der EP 1 918 641 A2 bekannt.

[0005] Weitere jet-stabilisierte Brennersysteme sind beispielsweise in der DE 10 2015 205 069 A1, der EP 35 34 070 A1, der EP 33 01 371 A1 und der EP 35 84 501 A1 angegeben.

[0006] Die DE 692 05 855 T2 zeigt eine Brennkammer und einen eintrittsseitig der Brennkammer angeordneten Mischer mit einer Brennstoffdüse. Weiterhin weist der Mischer zwei Verwirbeler auf, wobei die Brennstoffdüse in der Mitte des Verwirbelers, zentral auf einer Längsachse angeordnet ist. Im Betrieb strömt Luft durch die beiden Verwirbeler und anschließend in einen Mischkanal ein. Brennstoff wird von Injektionslöcher der Brennstoffdüse stromauf des Brennraums injiziert. Das Brennstoff-LuftGemisch verbrennt in der Brennkammer.

[0007] Die DE 25 17 756 A1 zeigt eine Zweistoff-Brennerdralldüse, die über eine Öffnung an einer Frontplatte angeordnet ist. Die Dralldüse weist ein Düsenmundstück zur Einbringung eines flüssigen Brennstoffes in einen Brennraum auf. Das Düsenmundstück umfasst mehrere, geneigt zur Längsachse eines Düsenkörpers der Dralldüse verlaufende Spritzkanäle.

[0008] Die US 4 718 359 A zeigt einen Kohlebrenner zur Verbrennung eines Feststoffes mit einem im Wesentlichen ringförmigen Eintritt in eine Brennkammer.

[0009] Die US 4 845 940 A zeigt einen Brenner mit einer ersten Vertiefung, innerhalb welcher eine zentrale Düse zur Einbringung eines Brennstoffstreits angeordnet ist. Die Düse ist von ringförmigen Luftkanälen umgeben.

[0010] Die US 2001 / 0 026 911 A1 zeigt eine Brennkammer mit einem Brennraum, der einen zentralen, im Betrieb gegenüber einer Rezirkulationszone angeordneten Ankerauslass aufweist. Durch den Ankerauslass wird Anker-Brennstoff radial nach außen auf eine Anker-Oberfläche geleitet. Der Anker-Brennstoff wird parallel zu einer Oberfläche dem Brennraum zugeführt.

[0011] Bei bisher gängigen, jet-stabilisierten Brennersystemen erfolgt eine Verringerung der thermischen Belastung der Brennerstirnseite durch Kühlung der Außenwand der Brennkammer beispielsweise durch Prallkühlung oder durch strukturelle Kühlung mittels Kühlkanälen innerhalb der Brennkammerwand, z. B. der Stirnwand. Des Weiteren oder alternativ wird die thermische Belastung der Stirnwand z. B. durch Vergrößerung des Brennraums mittels axialem Zurückversetzen der Stirnwand verringert. Hierdurch kommt es zu einer Abschwächung der durch die Rezirkulationszone hervorgerufenen Staupunktströmung und folglich zu einer verringerten thermischen Belastung an der Stirnwand.

[0012] Die dabei entstehenden hohen Temperaturgradienten in der Brennkammerwand senken die Lebensdauer des Materials und damit des Brennersystems. Eine Vergrößerung des Brennraums durch Rückversetzen der Stirnwand verringert eine in vielen Anwendungen vorteilhafte und/oder erforderliche Kompaktheit der Brennersysteme.

[0013] Auch bei anderen Brennersystemen, bei welchen es zwischen räumlich getrennten Flammen oder in der Innenregion einer einzelnen, ringförmigen Flamme zur Ausbildung zweier gegenläufiger bzw. einer (großräumigen) toroidalen Rezirkulationszone/n aus heißen Verbrennungsprodukten kommt, ergibt sich die Problematik der thermisch hoch belasteten Stirnwand bzw. Brennkammerwand.

[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennersystem mit einer vorteilhaften Kühlung bereitzustellen, sowie ein Verfahren zum Betreiben und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Brennersystems.

[0015] Die Aufgabe wird für das Brennersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, für das Verfahren zum Betreiben mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und für das Verfahren zur Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.

[0016] Bei dem Brennersystem ist vorgesehen, dass in der Brennkammerwand, insbesondere der Stirnwand, gegenüberliegend (in einer der Richtungskomponenten, z. B. in Wandnormalenrichtung und/oder axialer Richtung, versetzt, bezüglich der anderen Richtungskomponenten, beispielsweise in radialer Richtung und in Umlaufrichtung, an entsprechender Position) der Position der Rezirkulationszone im Betrieb zumindest eine Kühldüse mit einer an ihrem stromabseitigen Ende angeordneten Kühlmedienöffnung ausgebildet ist, mittels welcher im Betrieb Kühlmedium zur Kühlung der Brennkammerwand, insbesondere der Stirnwand, in den Brennraum zuführbar oder zugeführt ist, wobei die Kühldüse zur Erzeugung einer koaxial zu der heißen Staupunktströmung ausgerichteten Strömung an Kühlmedium ausgebildet ist.

[0017] Die koaxial ausgerichtete Strömung bildet insbesondere eine kalte Staupunktströmung in Art einer Gegenstrom-Staupunktströmung zu der heißen Staupunktströmung, wobei die heiße und die kalte Staupunktströmung entlang derselben Achse strömen, jedoch in gegensätzliche Richtungen. Die Achse ist insbesondere in Wandnormalenrichtung (orthogonal zu der Brennkammerwand, insbesondere der Stirnwand) ausgerichtet, beispielsweise entlang einer Längsachse der Brennkammer bzw. des Brennraums. Zu diesem Zweck ist insbesondere ein stromabseitiger Abschnitt der Kühldüse entlang der entsprechenden Achse, beispielsweise orthogonal zu der Brennkammerwand, ausgerichtet.

[0018] Die zumindest eine Zufuhrdüse mündet mit einer Frischgas-Austrittsöffnung in den Brennraum, die beispielsweise auf Höhe der Stirnwand oder axial stromab derselben, in den Brennraum hineinversetzt, angeordnet ist.

[0019] "Großräumig" bedeutet, dass sich die Rezirkulationszone, d. h. die Zone, innerhalb welcher heiße Verbrennungsprodukte umgelenkt werden und zurück in Richtung Stirnwand strömen, im Betrieb z. B. mindestens drei Durchmesser (oder ein äquivalentes Maß) der Frischgas-Austrittsöffnungen in axialer Richtung erstreckt.

[0020] Die Brennkammerwand kann neben der Stirnwand auch sich in axialer Richtung des Brennraums erstreckende, seitliche Brennkammerwände umfassen, zur Bildung eines geschlossenen Brennraums. Der Brennraum kann auch in der Weise offen ausgebildet sein, dass seitliche Brennkammerwände z. B. nur teilweise und/oder in großem Anstand von der Flamme vorhanden sind, sodass das Strömungsfeld zumindest im Nahbereich der Frischgas-Austrittsöffnung/en im Wesentlichen unbeeinflusst von den Brennkammerwänden ist.

[0021] Die heiße Staupunktströmung ist aus den heißen Verbrennungsprodukten (d. h. einer Abgasströmung) gebildet.

[0022] Die zumindest eine Kühldüse ist insbesondere zusätzlich zu den Zufuhrdüsen zur Zufuhr der Frischgase für den Verbrennungsprozess vorhanden. Insbesondere trägt die Strömung aus der Kühldüse nicht zur Erzeugung einer den Verbrennungsprozess stabilisierenden Brennraumströmung bei. Dabei ist die zumindest eine Kühldüse, oder eine Gruppe an Kühldüsen, von der Brennkammerwand, insbesondere von der Stirnwand, zu deren Kühlung umgeben. Die Zufuhrdüsen sind nicht unmittelbar um die Kühldüse/n angeordnet.

[0023] Durch die Zufuhr des Kühlmediums in den Brennraum an der Heißseite der Brennkammerwand, koaxial zu der Staupunktströmung, kann eine bei kompakter Ausbildung äußerst effiziente, materialschonende Kühlung der Brennerwand, insbesondere der ansonsten thermisch hoch belasteten Stirnwand, bewirkt werden. So wird mittels der erfindungsgemäßen Ausbildung das Brennersystem mit einem effektiven, materialschonenden Kühlkonzept versehen, welches gegebenenfalls weiterhin eine kompakte Ausbildung des Brennersystems erlaubt.

[0024] In einer bevorzugten Ausbildungsvariante ist vorgesehen, dass die Kühldüse (bei mehreren vorhandenen eine Gruppe von Kühldüsen) derart positioniert ist, dass die Kühlmedienöffnung (bei einer Gruppe von Kühldüsen zumindest eine der Kühlmedienöffnungen) gegenüber des sich im Betrieb ausbildenden Staupunktes angeordnet ist. "Gegenüber" bedeutet dabei bezüglich der Strömungsachse der heißen Staupunktströmung, beispielsweise der Wandnormalenrichtung zu der Stirnwand, versetzt, bezüglich der übrigen Richtungskomponenten, beispielsweise der radialen und der umlaufenden Richtungskomponente, auf Position des heißen Staupunktes. Bei mehreren Staupunkten können mehrere entsprechend dem jeweiligen, zugeordneten Staupunkt positionierte Kühldüsen bzw. Gruppen an Kühldüsen vorhanden sein.

[0025] Insbesondere ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kühldüse derart ausgelegt ist, dass im Betrieb (zumindest in allen wesentlichen, stationären Betriebspunkten) eine in Richtung des Staupunktes strömende kalte Staupunktströmung (insbesondere im Gegenstrom zu der heißen Staupunktströmung) derart erzeugbar oder erzeugt ist, dass einerseits ein Ausströmen der Verbrennungsprodukte in und/oder durch die Kühldüse unterbunden ist und andererseits die Rezirkulationszone zur Stabilisierung der Verbrennungszone erhalten bleibt. Die Rezirkulationszone soll dabei zumindest im Wesentlichen von der erzeugten Strömung des Kühlmediums unbeeinträchtigt bleiben, wobei beispielsweise das Kühlmedium nicht über den Staupunkt hinaus als Strahl in den Brennraum eintritt und die Rezirkulationszone auflöst. Insbesondere ist die Kühlmedienöffnung entsprechend dimensioniert und/oder geformt, wobei ein diese Wirkung erreichender (geeigneter) Massenstrom an Kühlmedium den Kühlkanal mit der Kühlmedienöffnung durchströmt. Die kalte Staupunktströmung verlagert vorzugsweise den Staupunkt in Wandnormalenrichtung und/oder axialer Richtung, ausgehend von der Brennkammerwand, insbesondere der Stirnwand, weiter in den Brennraum hinein als in eine Ausbildung ohne Kühldüse. An dem Staupunkt oder zwischen dem Staupunkt und der Brennkammerwand strömt das Kühlmedium unter Bildung einer abschirmenden, kühlenden Fluidschicht entlang der Brennkammerwand radial (bezüglich des Staupunktes) nach außen. Auf diese Weise wird eine Gegenstrom-Wandkühlung bereitgestellt, mittels welcher eine effektive Kühlwirkung auf die Brennkammerwand erreicht wird.

[0026] Für eine effektive Kühlwirkung ohne Auflösung der Rezirkulationszone kann beispielsweise die Kühldüse derart ausgelegt sein, dass eine Höhe (als Abstand des Staupunktes in Richtung der Achse der Staupunktströmung, insbesondere in Wandnormalenrichtung und/oder axialer Richtung) des Staupunktes von der Kühlmedienöffnung maximal die Hälfte, vorzugsweise maximal ein Drittel oder ein Viertel des axialen Abstandes (insbesondere in derselben Richtung) eines Wirbelzentrums der Rezirkulationszone von der Brennkammerwand, insbesondere der Stirnwand, beträgt.

[0027] In einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann die Kühldüse mit einer stromauf des Brennraums angeordneten Verteilerseite des Brennersystems für Oxidator (insbesondere einem Oxidatorplenum) in Strömungsverbindung stehen, wobei im Betrieb das Kühlmedium von einem Anteil des von der Verteilerseite dem Brennraum zugeführten Oxidators gebildet ist. Beispielsweise ist die Kühldüse als z. B. gerader Strömungskanal zwischen einem Oxidatorplenum und dem Brennraum ausgebildet. Der Strömungskanal kann z. B. zumindest abschnittsweise orthogonal zu der Brennkammerwand ausgerichtet sein.

[0028] In einer einfach zu realisierenden und robusten Ausgestaltung kann der Anteil des im Betrieb als Kühlmedium zugeführten Oxidators zu dem über die zumindest eine Zufuhrdüse (und/oder aus dem Verteilerraum) zugeführten Oxidator passiv festgelegt sein. "Passiv" bedeutet hierbei ohne aktive Regelelemente, über strömungsmechanische Auslegung zum Erhalt eines geeigneten Splits (Aufteilung) des Oxidators ausgehend von der Verteilerseite. Die strömungsmechanische Auslegung beinhaltet insbesondere die Auslegung eines entsprechenden Verhältnisses der Strömungsquerschnitte der Kühldüse zu dem (Gesamt)-Strömungsquerschnitt der zumindest einen Zufuhrdüse.

[0029] Insbesondere in diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Kühldüse derart ausgelegt ist, dass der Anteil des im Betrieb als Kühlmedium zugeführten Oxidators zu dem über die zumindest eine Zufuhrdüse zugeführten Oxidator maximal 10 %, vorzugsweise von maximal 5 % oder 2 %, beträgt.

[0030] In einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass eine Gruppe von Kühldüsen mit ihrer jeweiligen Kühlmedienöffnung dem Staupunkt gegenüberliegend angeordnet ist, wobei insbesondere zumindest eine, vorzugsweise eine Kühlmedienöffnung einer mittleren Kühldüse, gegenüber dem Staupunkt angeordnet ist. Die Kühldüsen innerhalb der Gruppe sind vorzugsweise symmetrisch zueinander bezüglich des Staupunktes angeordnet. Dabei können die Kühldüsen z. B. identisch, oder auch unterschiedlich, ausgebildet sein und/oder maximal einen Abstand (von Kante zu Kante) von einem Strömungsdurchmesser (oder einem äquivalenten Maß) der Kühldüsen zueinander aufweisen.

[0031] Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die Stirnwand orthogonal zu der Längsachse ausgerichtet ist und/oder dass die zumindest eine Zufuhrdüse, vorzugsweise alle vorhandenen, und/oder die zumindest eine Kühldüse, vorzugsweise alle vorhandenen, parallel zu der Längsachse ausgerichtet ist/sind.

[0032] Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Kühlkonzept eingesetzt werden, wenn das Brennersystem zum Betrieb basierend auf einem jet-stabilisierten Verbrennungskonzept (in Art eines rezirkulationsstabilisierten Strahlflammenbrenners) ausgebildet ist, wobei die Frischgase zumindest im Wesentlichen drallfrei in den Brennraum eingebracht sind und eine Verbrennungszone in dem Brennraum durch die stationäre, großräumige, brennkammerinterne Rezirkulationszone der heißen Verbrennungsprodukte stabilisiert ist, die sich aufgrund der Einbringung der Frischgase mit einem ausreichend hohen axialen Impuls, insbesondere mittels einer Zufuhrgeschwindigkeit der Frischgase von mindestens 60 m/s oder mindestens 80 m/s, und beispielsweise bis maximal 220 m/s oder mehr, in dem Brennraum ausbildet. "Zumindest im Wesentlichen drallfrei" bedeutet, dass vorzugsweise kein Umfangsdrall auf die Frischgasströmung aufgeprägt ist, oder trotz eines gegebenenfalls vorhandenen, geringen Umfangsdralls die Stabilisierung der Verbrennung aufgrund des axialen Impulses mittels der großräumigen Rezirkulationszone erfolgt, nicht mittels lokaler Rezirkulation radial im Bereich des Düsenquerschnitts.

[0033] Vorzugsweise sind mehrere Zufuhrdüsen vorhanden, wobei die Zufuhrdüsen auf zumindest einem, insbesondere kreisförmigen, Düsenring und/oder (matrixartig) in einer Reihenanordnung mit zumindest zwei (bezüglich einer Mittellinie) z. B. einander gegenüberliegenden Düsenreihen an der Stirnwand angeordnet sind. Bei den gegenüberliegenden Düsenreihen sind die Düsen insbesondere nicht versetzt zueinander, sondern einander gegenüberliegend angeordnet.

[0034] Auch eine durchgängig umlaufende Zufuhrdüse kann vorhanden sein, wenn damit eine großräumige Rezirkulationszone mit einer Staupunktströmung und einem Staupunkt gebildet wird.

[0035] Möglich sind auch andere, umfassend auch drallstabilisierte, Brennersysteme, bei welchen es zwischen räumlich getrennten Flammen oder in der Innenregion einer einzelnen, ringförmigen Flamme zur Ausbildung zweier gegenläufiger bzw. einer großräumigen (toroidalen) Rezirkulationszone/n aus heißen Verbrennungsprodukten kommt, deren Staupunkt nicht gegenüber einer Frischgas-Zufuhröffnung positioniert ist.

[0036] Bei dem Verfahren zum Betreiben eines Brennersystems, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ausbildungsvarianten, wird der Verbrennungsprozess mittels einer, insbesondere großräumigen, Rezirkulationszone aus heißen Verbrennungsprodukten mit einer heißen Staupunktströmung innerhalb eines Brennraums stabilisiert, wobei durch eine Brennkammerwand, insbesondere durch eine eingangsseitige Stirnwand, mittels einer Kühldüse ein Kühlmedium koaxial zu der heißen Staupunktströmung, insbesondere in Wandnormalenrichtung, in den Brennraum zugegeben wird, insbesondere in Wandnormalenrichtung und/oder insbesondere parallel bzw. koaxial zu einer Längsachse des Brennraums.

[0037] Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Brennersystems, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ausbildungsvarianten, wird ein Kühlsystem zur Kühlung zumindest eines Teils einer Brennkammerwand, insbesondere einer Stirnwand, implementiert, wobei zumindest eine Kühldüse zur Zugabe von Kühlmedium in einen Brennraum koaxial zu einer heißen Staupunktströmung einer, insbesondere großräumigen, den Verbrennungsprozess stabilisierenden Rezirkulationszone aus heißen Verbrennungsprodukten an einer geeigneten Position einer Brennkammerwand, insbesondere an einer Stirnwand, eingebracht wird, wobei die Kühldüse ausgebildet wird zur Zugabe eines geeigneten Massenstroms an Kühlmedium. Die Kühlung mit der Kühldüse ist entsprechend ausgelegt. Das Brennersystem wird entsprechend in einem Auslegungsverfahren ermittelter Designkriterien hergestellt.

[0038] In dem Auslegungsverfahren stellen zentrale Aspekte die Identifikation einer geeigneten Position der Kühldüse sowie die Abschätzung des einzubringenden, geeigneten Massenstroms an Kühlmedium dar. Diese werden bei der Auslegung des Brennersystems z. B. unter Berücksichtigung der sich einstellenden Strömungsverhältnisse innerhalb des Brennraums des betreffenden Brennersystems ohne vorhandene Kühldüse und/oder ohne eingebrachtes Kühlmedium z. B. experimentell und/oder mittels numerischer Strömungssimulation (computergestützt) ermittelt.

[0039] Zunächst wird dabei insbesondere die Position des heißen Staupunktes an dem betreffenden Brennersystem ohne Kühldüse identifiziert. Die Kühldüse wird dann an einem Ort auf der Brennkammerwand auf der gleichen Achse wie die Staupunktströmung, insbesondere in Wandnormalenrichtung, z. B. der axialen Richtung, gegenüber des Staupunktes (d. h. in Wandnormalenrichtung und/oder axialer Richtung versetzt, bezüglich der anderen Richtungskomponenten vorzugsweise an gleicher Position) eingebracht und insbesondere hinsichtlich des Strömungsquerschnitts geeignet ausgelegt, zum Erhalt des geeigneten Massenstroms im Betrieb.

[0040] Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn bei der Auslegung zur Abschätzung des erforderlichen Massenstroms an Kühlmedium die Potenzialtheorie herangezogen wird.

[0041] Dabei wird die zur Stirnwand hin gerichtete Staupunktströmung aus den heißen Verbrennungsprodukten beispielhaft als achsensymmetrische Staupunktströmung mit dem Geschwindigkeitspotenzial

und die Kühlmedienöffnung mit Einbringung des Kühlmediums als Punktquelle mit dem Geschwindigkeitspotenzial

approximiert. Hierbei ist r der radiale Abstand zu der Kühlmedienöffnung, z ist der Abstand zu der Stirnseite in Wandnormalenrichtung, a ist die Stärke der achsensymmetrischen Staupunktströmung mit der Einheit s^-1 und m ist der von der Punktquelle ausgehende Volumenstrom.

[0042] Das überlagerte Geschwindigkeitspotenzial ergibt sich zu

[0043] Die Komponenten des Geschwindigkeitsfeldes in Zylinderkoordinaten ergeben sich damit zu

[0044] In dem Staupunkt in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 gilt

wodurch sich ein Abstand des Staupunktes zu der Stirnwand h zu

ergibt. Des Weiteren wird der aus der Kühldüse austretende Volumenstrom V z. B. als die Hälfte des aus der Punktquelle stammenden Volumenstroms approximiert mit

wobei r_jet den Radius der Kühldüse und U_jet die Austrittsgeschwindigkeit des Kühlmediums aus der Kühldüse bezeichnet. Der Grund für die Berücksichtigung der Hälfte des Volumenstroms der Punktquelle ist, dass nur ein Teil, beispielsweise die Hälfte, des Volumenstroms in den Brennraum strömt. An dem Staupunkt selbst herrscht ein Gleichgewicht des dynamischen Drucks

wobei ρ_jet und ρ_stag die Dichten des Kühlmediums und der heißen Verbrennungsprodukte in der heißen Staupunktströmung in der Rezirkulationszone bezeichnen sowie U_stag eine virtuelle Freistellungsgeschwindigkeit der heißen Staupunktströmung bedingt durch die Rezirkulationszone darstellt. Aus

folgt, dass bei einem Dichteunterschied zwischen den heißen Verbrennungsprodukten und dem Kühlmedium die Höhe h unverändert bleibt, wenn bei der Austrittsgeschwindigkeit des Kühlmediums das Dichteverhältnis mitberücksichtigt wird. Es ergibt sich

[0045] In der obigen, beispielshaften Herleitung wurde von einer einzelnen zentralen Kühldüse ausgegangen, durch die der Massenstrom an Kühlmedium von der gedachten Punktquelle in den Brennraum strömt.

[0046] Bei der Gruppe von beispielsweise n identischen Kühldüsen mit beispielsweise gleichem effektivem Strömungsquerschnitt ergibt sich die Höhe h zu

[0047] Ausgehend von der ersten Abschätzung mittels der Potenzialtheorie kann beispielsweise experimentell und/oder in einer numerischen Strömungssimulation eine weitere Iteration der Geometrie z. B. der Kühldüse erfolgen, um das endgültige Design des Brennersystems zu erhalten.

[0048] Vorteilhafte Ausführungsvarianten des Verfahrens zum Betreiben und/oder des Verfahrens zur Herstellung des Brennersystems sind auch in Zusammenhang mit dem Brennersystem sinngemäß angegeben.

[0049] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

ein aus dem Stand der Technik bekanntes, jet-stabilisiertes Brennersystem in vereinfachter schematischer Darstellung im Längsschnitt,

Fig. 2

einen Teil eines erfindungsgemäßen Brennersystems mit zwei dargestellten Zufuhrdüsen und einer in einer Stirnwand ausgebildeten Kühldüse mit Visualisierung eines Strömungsbildes mittels Stromlinien im Längsschnitt,

Fig. 3

einen gegenüber Fig. 2 detaillierteren Ausschnitt des erfindungsgemäßen Brennersystems, mit einem approximierten Geschwindigkeitsfeld nahe der Kühldüse,

Fig. 4

einen Teil eines erfindungsgemäßen Brennersystems in einem Ausführungsbeispiel mit Anordnung der Zufuhrdüsen auf einem Düsenring, in perspektivischer Ansicht auf die Stirnwand,

Fig. 5

einen Ausschnitt mit dem approximierten Geschwindigkeitsfeld einer gegenüber Fig. 4 modifizierten Ausbildungsvariante des erfindungsgemäßen Brennersystems, mit einer Gruppe von drei Kühldüsen, und

Fig. 6

einen Teil eines erfindungsgemäßen Brennersystems in einem Ausführungsbeispiel mit Anordnung der Zufuhrdüsen in zwei einander gegenüberliegenden Düsenreihen, mit Zwischenordnung jeweils einer Gruppe von Kühldüsen, in perspektivischer Ansicht auf die Stirnwand.

[0050] Fig. 1 zeigt schematisch in einem Längsschnitt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Brennersystem 1 basierend auf einem jet-stabilisierten Verbrennungskonzept, das sich insbesondere für den Einsatz in Gasturbinen in Anwendungen zur Energieerzeugung oder in der Luftfahrt eignet. Das Brennersystem 1 weist einen beispielhaften, abgesehen von einer stromabseitigen Ausströmöffnung geschlossenen Brennraum 3 und eine an der stromaufgelegenen, eingangsseitigen Seite des Brennraums 3 angeordnete Stirnwand 6 auf. Über die Stirnwand 6 münden vorzugsweise mehrere Zufuhrdüsen 10 zu Zufuhr von Frischgasen 8, umfassend Oxidator und Brennstoff, mit Frischgas-Austrittsöffnungen 12 in den Brennraum 3. Dabei kann insbesondere eine Vielzahl von Zufuhrdüsen 10 vorhanden sein, die z. B. wie in Fig. 4 z. B. symmetrisch ringartig um die Längsachse L, auf einem Düsenring 42, und/oder wie in Fig. 6, matrixartig, dort beispielhaft in zwei Düsenreihen 44.1, 44.2, an der Stirnwand 6 angeordnet sind. Die Frischgas-Austrittsöffnungen 12 sind vorzugsweise axial auf Höhe der Stirnwand 6 angeordnet, können jedoch auch stromab der Stirnwand 6 in den Brennraum 3 verlagert sein.

[0051] Die Zufuhrdüsen 10 dienen zur Einbringung von gasförmigem und/oder flüssigem Brennstoff und Oxidator von einer (hier nicht näher dargestellten) Verteilerseite 2 in den Brennraum 3 über die Stirnwand 6. Der Brennraum 3 erstreckt sich hier beispielhaft axial entlang einer Längsachse L des Brennersystems 1 und z. B. radial rotationssymmetrisch um dieselbe. Möglich ist auch eine zumindest teilweise offene Ausbildung des Brennraums 3 stromab der Stirnwand 6. Die Stirnwand 6 ist insbesondere (z. B. ausschließlich) orthogonal zu der Längsachse L ausgerichtet. Die Zufuhreinrichtungen 1 erstrecken sich entlang von Düsenlängsachsen, die parallel zu der Längsachse L des Brennersystems 1 ausgerichtet sind.

[0052] Das Brennersystem 1 ist als jet-stabilisiertes Brennersystem zur, insbesondere unverdrallten, Hochgeschwindigkeitsverbrennung ausgebildet, welches auch als rezirkulationsstabilisiertes Strahlflammenbrennersystem bezeichnet werden kann. Bei dieser Art von Brennersystemen werden im Betrieb unverbrannter Brennstoff und Oxidator zumindest im Wesentlichen drallfrei mit einem derart hohen axialen Impuls in den Brennraum 3 eingebracht, dass sich aufgrund dessen im Brennraum 3 eine stationäre, großräumige Rezirkulationszone 5 zur Stabilisierung einer Verbrennungszone 24 (Flamme) ausbildet. Dabei beträgt eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit an (ggf. jeweils) einer der Frischgas-Austrittsöffnungen 12 beispielsweise zwischen minimal 60 m/s, vorzugsweise minimal 80 m/s, und z. B. maximal 200 m/s oder darüber, zumindest in den wesentlichen Betriebspunkten (z. B. abgesehen von instationären Vorgängen, wie Anfahrvorgängen).

[0053] Bei Anordnung der Zufuhrdüsen 10 auf dem um die Längsachse L gebildeten Düsenring 42 (vgl. Fig. 4) ist die im Betrieb vorliegende Rezirkulationszone 5 toroidal ausgebildet, wobei die Rückströmung von heißen Verbrennungsprodukten 20 (entsprechend einer Abgasströmung) zumindest großteils radial innerhalb des Düsenrings 42 erfolgt. Dabei bildet die Rezirkulationszone 5 radial zentral auf der Längsachse L eine in Richtung der Stirnwand 6 gerichtete, heiße Staupunktströmung 26 aus den Verbrennungsprodukten 20 aus.

[0054] Durch die Rezirkulationszone 5 werden die heißen Verbrennungsprodukte 20 an die Stirnwand 6 des Brennersystems 1 konvektiert und verursachen dort eine hohe thermische Belastung.

[0055] Zur Reduktion der thermischen Belastung verwendet das erfindungsgemäße Brennersystem 1 ein gegenüber dem Stand der Technik modifiziertes Kühlsystem. Fig. 2 zeigt einen Teil des Brennersystems 1 in schematischer Darstellung im Längsschnitt, wobei zur Visualisierung des Strömungsbildes in einem beispielhaften Betriebspunkt Stromlinien 22 abgebildet sind. Weiterhin zeigt Fig. 2 eine ungefähre Position der Verbrennungszone 24 sowie die durch die Rezirkulationszone 5 hervorgerufene, heiße Staupunktströmung 26 aus den Verbrennungsprodukten 20, an deren in Richtung der Stirnwand 6 zugewandtem axialen Ende sich ein Staupunkt 28 ausbildet.

[0056] Für eine vorteilhafte Kühlwirkung ist gegenüberliegend (axial versetzt, radial und umlaufend im Bereich) der Rezirkulationszone 5, axial gegenüber des Staupunktes 28 (radial und in Umlaufrichtung an gleicher Position) eine Kühldüse 14 in der Stirnwand 6 eingebracht, die mit einer stromabseitigen, z. B. kreisrunden Kühlmedienöffnung 16 auf Höhe der Stirnwand 6 in den Brennraum 3 mündet. Mittels der Kühldüse 14 wird im Betrieb Kühlmedium 18 zur Kühlung der Stirnwand 6 in den Brennraum 3 zugeführt. Auf diese Weise wird eine brennraumseitige Gegenstrom-Wandkühlung der Stirnwand 6 realisiert.

[0057] Die Kühldüse 14 ist zur Erzeugung einer senkrecht zu der heißen Staupunktströmung 26 bzw. orthogonal zu der Stirnwand 6 (in Wandnormalenrichtung) ausgerichteten Strömung an Kühlmedium 18 ausgebildet, wobei vorliegend die Kühldüse 14, zumindest ein stromabseitiger Abschnitt derselben, orthogonal zu der Stirnwand 6 ausgerichtet ist.

[0058] Insbesondere ist das Kühlmedium 18 durch Oxidator, beispielsweise Luft, gebildet. Dabei steht vorzugsweise die Kühldüse 14 mit der stromauf des Brennraums 3 angeordneten Verteilerseite 2, genauer dessen Oxidatorzufuhr (Oxidatorplenum) in Strömungsverbindung. So ist im Betrieb der Kühldüse 14 ein Anteil des von der Verteilerseite 2 dem Brennraum 3 zugeführten Oxidators als Kühlmedium 18 zuführbar. Vorzugsweise stellt sich der Massenstrom des Kühlmediums aufgrund der fluidmechanischen Auslegung der Kühldüse 14 geeignet ein, d. h. der Anteil des über die Kühldüse 14 im Betrieb als Kühlmedium 18 zugeführten Oxidators zu dem über die Zufuhrdüsen 10 als Frischgas (zur unmittelbaren Teilnahme an dem Verbrennungsprozess) zugeführten Oxidator ist passiv festgelegt. Ein aktives Regelelement, beispielsweise ein Stellventil, zur Beeinflussung des Massenstroms ist vorzugsweise nicht vorhanden. Die fluidmechanische Auslegung beinhaltet insbesondere die Anpassung des Druckverlustes über die Kühldüse 14 relativ zu dem Druckverlust über die Zufuhrdüsen 10, welche maßgeblich von dem kleinsten Strömungsquerschnitt innerhalb der Kühldüse 14 bzw. der Zufuhrdüsen 10 bestimmt sind. Dieses Druckverlustverhältnis ist im Wesentlichen proportional zu dem sogenannten "Split", dem Anteil des als Kühlmedium 16 zugeführten Oxidators zu dem Anteil des als Frischgas zugeführten Oxidators.

[0059] Im Einzelnen ist die Kühldüse 14 derart ausgelegt, dass mittels des Kühlmediums 18 im Betrieb eine auf den Staupunkt 28 wirkende, diesem gegenüber liegende, kalte Staupunktströmung 30 erzeugt wird. Die kalte Staupunktströmung 30 bildet eine Gegenstrom-Staupunktströmung zu der heißen Staupunktströmung 26, d. h. die beiden Staupunktströmungen 26, 30 strömen entlang derselben Achse, in Fig. 2 bis Fig. 4 der Längsachse L, jedoch in gegensätzliche Richtung. Die kalte Staupunktströmung 30 verlagert vorzugsweise den Staupunkt 28 in Wandnormalenrichtung, vorliegend axial, ausgehend von der Stirnwand 6 weiter in den Brennraum 3 hinein als in einer Ausbildung ohne Kühldüse 14. An dem Staupunkt 28 oder zwischen dem Staupunkt 28 und der Stirnwand 6 strömt das Kühlmedium 18 unter Bildung einer abschirmenden, kühlenden Fluidschicht 34 entlang der Stirnwand 6 radial nach außen. Fig. 2 zeigt mittels einer Grenzschicht 21 in etwa die Dicke der Fluidschicht 34 relativ zu der Rezirkulationszone 5.

[0060] Ein "geeigneter Massenstrom" an Kühlmedium 18 bedeutet dabei konkret, dass der Massenstrom an Kühlmedium 18 sich durch die Auslegung derart einstellt, dass einerseits ein Ausströmen der heißen Verbrennungsprodukte 20 aus dem Brennraum 3 durch die Kühldüse 14 und/oder in die Kühldüse 14 hinein unterbunden wird. Gleichzeitig ist der Massenstrom an Kühlmedium 18 derart gering, dass das Kühlmedium 18 an dem Staupunkt 28 radial nach außen gelenkt wird und nicht als Strahl über den Staupunkt 28 hinaus in den Brennraum 3 eintritt und die Rezirkulationszone 5 auflöst. Konkret kann beispielsweise der Anteil an Oxidator maximal 10 %, vorzugsweise von maximal 5 % oder 2 %, des gesamten, dem Brennkammersystem 1 stirnseitig zugeführten Oxidator-Massenstroms betragen, wobei der Anteil je nach Brennersystem 1 individuell und entsprechend brennerspezifisch auszulegen ist.

[0061] Fig. 3 zeigt in einer vergrößerten Darstellung der Strömungsverhältnisse um die Kühldüse 14 genauer die sich einstellende Strömung des Kühlmediums 16. Der Massenstrom an Kühlmedium 18 ist derart eingestellt, dass sich der Staupunkt 28 in einer vergleichsweise geringen Höhe h, als wandnormaler, hier axialer Abstand zwischen dem Staupunkt 28 und der Stirnwand 6, über der Stirnwand 6 des Brennersystems 1 zwischen der heißen Staupunktströmung 26 und der kalten Staupunktströmung 30 positioniert. Beispielsweise beträgt die Höhe h des Staupunktes 28 maximal die Hälfte, vorzugsweise maximal ein Drittel oder ein Viertel des axialen Abstandes eines Wirbelzentrums 35 (vgl. Fig. 2) der Rezirkulationszone 5 von der Stirnwand 6.

[0062] Fig. 4 zeigt das erfindungsgemäße Brennersystem 1 mit der Anordnung der Zufuhrdüsen 10 auf dem Düsenring 42 mit den dargestellten Stromlinien 22 in dreidimensionaler Darstellung mit Ansicht auf die Stirnwand 6. Erkennbar ist dabei die toroidale Rezirkulationszone 5 mit einer kreisförmig umlaufenden Wirbelzentrumsline 36 durch das Wirbelzentrum 35.

[0063] Im Betrieb wird ein Großteil des gesamten über die Stirnwand 6 zugeführten Oxidators zusammen mit dem Brennstoff als Frischgas 8 über die Zufuhrdüsen 10 dem Brennraum 3 zugeführt. Der kleinere Anteil des gesamten Oxidators wird als Kühlmedium 18 über die Kühldüse 14 gegenüber der heißen Staupunktströmung 26 dem Brennraum 3 zugeführt.

[0064] In dem Brennraum 3 werden die Frischgase 8 innerhalb der Verbrennungszone 24 zu den Verbrennungsprodukten 20 umgesetzt, wobei die Verbrennungszone 24 mittels der stationären Rezirkulationszone 5 stabilisiert wird. Innerhalb der Rezirkulationszone 5 strömen die heißen Verbrennungsprodukte 20 in der heißen Staupunktströmung 26 zurück in Richtung Stirnwand 6.

[0065] Das Kühlmedium 18 strömt als kalte Staupunktströmung 30 in den Brennraum 3 ein und verlagert den Staupunkt 28 auf die axiale Position mit der Höhe h in den Brennraum 3 hinein. Anschließend wird das Kühlmedium 18 umgelenkt und strömt ohne wesentliche Beeinflussung der Rezirkulationszone 5 unter Bildung der kühlenden Fluidschicht 34 radial über die Stirnwand 6 nach außen.

[0066] Fig. 5 zeigt eine gegenüber den Fig. 2 bis Fig. 4 modifiziertes Ausführungsbeispiel, mit einer Gruppe umfassend n einzelne Kühldüsen anstelle der einzelnen Kühldüse 14. Vorliegend sind beispielhaft drei, in Reihe nebeneinander angeordnete und identisch zueinander ausgebildete Kühldüsen 14, 14.1 und 14.2 mit Kühlmedienöffnungen 16, 16.1, 16.2 in der Stirnwand 6 angeordnet. Der Abstand der einzelnen Kühldüsen 14, 14.1 und 14.2 zueinander (von benachbarter Außenkante zu Außenkante) beträgt beispielsweise weniger als deren Durchmesser. Die mittlere Kühldüse 14 ist gegenüber dem Staupunkt 28 positioniert. Die Auslegung der Gruppe an Kühldüsen erfolgt nach den gleichen Kriterien wie bei der einzelnen Kühldüse 14 derart, dass im Betrieb der geeignete Massenstrom an Kühlmedium 18 durch die Gruppe an Kühldüsen strömt.

[0067] Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des jet-stabilisierten das Brennersystems 1, wobei die Zufuhrdüsen 10 in zwei parallel zueinander verlaufenden Düsenreihen 44.1, 44 2 angeordnet sind. Dabei sind beispielsweise die Zufuhrdüsen 10 der einzelnen Düsenreihen 44.1, 44.2 gegenüber den Zufuhrdüsen 10 der jeweils gegenüberliegenden Düsenreihe 44.2 bzw. 44.1 und äquidistant innerhalb der jeweiligen Reihe zueinander angeordnet. Bei der in Fig. 6 gezeigten Anordnung der Zufuhrdüsen 10 kommt es im Betrieb zur Ausbildung zweier stationärer, gegenläufiger Rezirkulationszonen 5 aus den heißen Verbrennungsprodukten 20. Des Weiteren sind zugehörige, annähernd gerade Wirbelzentrumslinien 38 und 40 der Rezirkulationszonen 5 dargestellt.

[0068] Jeweils zwischen zwei einander gegenüberliegenden Zufuhrdüsen 10 ist hier beispielhaft die Gruppe von Kühldüsen mit den drei Kühldüsen 14, 14.1, 14.2 angeordnet, mit den Kühlmedienöffnungen 16, 16.1, 16.2. Die Gruppe von Kühldüsen ist mit der jeweils mittleren Kühldüse 14 gegenüber dem jeweiligen Staupunkt 28 positioniert. Auch hier bildet sich die Fluidschicht 34 mit geringerer Temperatur aus als die der heißen Verbrennungsprodukte 20 und sorgt auf diese Weise für eine Verringerung der thermischen Belastung der Stirnwand 6. Die für das Brennersystem 1 notwendigen, stationären, gegenläufigen Rezirkulationszonen 5 bleiben aufgrund der angepassten Auslegung der Gegenstrom-Wandkühlung, mit dem geeigneten Massenstrom an Kühlmedium 18, ebenfalls erhalten.

[0069] Bei den in Fig. 2 bis Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispielen weisen die Positionen der Kühlmedienöffnung/en 16, 16.1, 16.2 den Versatz in axialer Richtung, entsprechend der Wandnormalenrichtung, zu der Stirnwand 6 auf, wobei die radiale und umlaufende Position der Kühldüsen 14 bzw. der Gruppe an Kühldüsen dem des Staupunkts 28 im Betrieb entspricht. So richtet sich bei der erfindungsgemäßen Gegenstrom-Wandkühlung die Position der Kühldüse 14 bzw. der Gruppe an Kühldüsen, wie auch der Bereich des ausströmenden Massenstroms an Kühlmedium 18, nach dem sich im Betrieb ausbildenden Strömungsfeld innerhalb des Brennraums 3.

[0070] Die erfindungsgemäße Gegenstrom-Wandkühlung verhindert gezielt Temperaturspitzen an der Stirnwand 6 und hält durch den bezüglich der ausgebildeten heißen Staupunktströmung 26 angepassten (geeigneten) Massenstrom an Kühlmedium 18 den stabilisierenden Effekt der Rezirkulationszone 5 auf die jet-stabilisierte Verbrennungszone 24 aufrecht. Die verringerte thermische Belastung der Brennkammerwand bzw. Stirnwand 6 ermöglicht eine größere Last- und Brennstoffflexibilität und somit jet-stabilisierte Verbrennungsszenarien, die mit konventionellen Kühlungskonzepten aufgrund thermischer Belastungsgrenzen sonst nicht erreichbar wären.

[0071] Die erläuterte, aus dem Stand der Technik bekannte Problematik der thermisch hoch belasteten Stirnwand 6 bzw. Brennkammerwand ergibt sich auch bei anderen Brennersystemen, bei welchen es zwischen räumlich getrennten Flammen oder in der Innenregion einer einzelnen, ringförmigen Flamme zur Ausbildung zweier gegenläufiger bzw. einer (großräumigen) toroidalen Rezirkulationszone/n aus heißen Verbrennungsprodukten kommt. Entsprechend kann das erfindungsgemäße Gegenstrom-Wandkühlungskonzept auch bei anderen Brennersystemen 1 zur Anwendung kommen, wenn sich der aufgrund der Rezirkulationszone 5 einstellenden Staupunkt 28 nicht gegenüber der Frischgaszufuhr (Brennstoff und/oder Oxidator) befindet. Dies können neben den jet-stabilisierten Brennersystemen 1 auch drall-stabilisierte Brennersysteme 1 beispielsweise in zukünftigen Luftfahrtanwendungen sein. Besonders günstig ist die Anwendung bei Brennersystemen 1, bei welchen alternative Kühlungsmethoden z. B. aufgrund der Kompaktheit und/oder Komplexität des Brennersystems nicht angewendet werden können. Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Gegenstrom-Wandkühlung beispielsweise bei Luftfahrt-Verbrennungssystemen mit jet-stabilisierter Wasserstoffverbrennung sein, da es hierbei durch die Kompaktheit des Brennraums 3 und/oder durch die hohen Verbrennungstemperaturen von Wasserstoff zur Ausbildung von intensiven Rezirkulationsgebieten sehr heißer Verbrennungsprodukte kommt.

Ansprüche

1. Brennersystem (1), insbesondere zum Einsatz in einer Gasturbine, mit einem entlang einer Längsachse (L) ausgerichteten Brennraum (3) und einer Brennkammerwand (4) umfassend eine eingangsseitig des Brennraums (3) angeordnete Stirnwand (6), und mit zumindest einer über die Stirnwand (6) in den Brennraum (3) mündenden Zufuhrdüse (10) zur Zugabe von Frischgasen (8), Brennstoff und/oder Oxidator, in den Brennraum (3), wobei das Brennersystem (1) derart ausgelegt ist, dass sich im Betrieb zur Stabilisierung des Verbrennungsprozesses innerhalb des Brennraums (3) eine, insbesondere großräumige, Rezirkulationszone (5) aus heißen Verbrennungsprodukten (20) mit einer heißen Staupunktströmung (26) umfassend einen der Brennkammerwand (4), insbesondere der Stirnwand (6), gegenüberliegenden Staupunkt (28) ausbildet, dadurch gekennzeichnet,
dass in der Brennkammerwand (4), insbesondere der Stirnwand (6), gegenüberliegend der Position der Rezirkulationszone (5) im Betrieb zumindest eine Kühldüse (14) mit einer an ihrem stromabseitigen Ende angeordneten Kühlmedienöffnung (16) ausgebildet ist, mittels welcher im Betrieb Kühlmedium (18) zur Kühlung der Brennkammerwand (4), insbesondere der Stirnwand (6), in den Brennraum (3) zuführbar oder zugeführt ist, wobei die Kühldüse (14) zur Erzeugung einer koaxial zu der heißen Staupunktströmung (26) ausgerichteten Strömung an Kühlmedium (18) ausgebildet ist.

2. Brennersystem (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühldüse (14) derart positioniert ist, dass die Kühlmedienöffnung (16) gegenüber des sich im Betrieb ausbildenden Staupunktes (28) angeordnet ist.

3. Brennersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühldüse (14) derart ausgelegt ist, dass im Betrieb eine in Richtung des Staupunktes (28) strömende kalte Staupunktströmung (30) derart erzeugbar oder erzeugt ist, dass einerseits ein Ausströmen der Verbrennungsprodukte (20) in und/oder durch die Kühldüse (14) unterbunden ist und andererseits die Rezirkulationszone (5) zur Stabilisierung erhalten bleibt.

4. Brennersystem (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühldüse (14) derart ausgelegt ist, dass eine Höhe (h) des Staupunktes (28) von der Kühlmedienöffnung (16) maximal die Hälfte, vorzugsweise maximal ein Drittel oder ein Viertel des axialen Abstandes eines Wirbelzentrums (35) der Rezirkulationszone (5) von der Brennkammerwand (4), insbesondere der Stirnwand (6), beträgt.

5. Brennersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühldüse (14) mit einer stromauf des Brennraums (3) angeordneten Verteilerseite (2) des Brennersystems (1) für Oxidator in Strömungsverbindung steht, wobei im Betrieb das Kühlmedium (18) von einem Anteil des von der Verteilerseite (2) dem Brennraum (3) zugeführten Oxidators gebildet ist.

6. Brennersystem (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Anteil des im Betrieb als Kühlmedium (18) zugeführten Oxidators zu dem über die zumindest eine Zufuhrdüse (10) zugeführten Oxidator passiv festgelegt ist.

7. Brennersystem (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühldüse (14) derart ausgelegt ist, dass der Anteil des im Betrieb als Kühlmedium (18) zugeführten Oxidators zu dem über die zumindest eine Zufuhrdüse (10) zugeführten Oxidator maximal 10 %, vorzugsweise von maximal 5 % oder 2 %, beträgt.

8. Brennersystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Gruppe von Kühldüsen (14, 14.1, 14.2) mit ihrer jeweiligen Kühlmedienöffnung (16, 16.1, 16.2) dem Staupunkt (28) gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Kühldüsen (14, 14.1, 14.2) z. B. identisch ausgebildet sind und/oder maximal einen Abstand von einem Strömungsdurchmesser der Kühldüsen (14, 14.1, 14.2) zueinander aufweisen.

9. Brennersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stirnwand (6) orthogonal zu der Längsachse (L) ausgerichtet ist und/oder dass die zumindest eine Zufuhrdüse (10) und/oder die zumindest eine Kühldüse (14) parallel zu der Längsachse (L) ausgerichtet ist/sind.

10. Brennersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Brennersystem (1) zum Betrieb basierend auf einem jet-stabilisierten Verbrennungskonzept ausgebildet ist, wobei die Frischgase (8) zumindest im Wesentlichen drallfrei in den Brennraum (3) eingebracht sind und eine Verbrennungszone (24) in dem Brennraum (3) durch die stationäre, großräumige, brennkammerinterne Rezirkulationszone (5) der heißen Verbrennungsprodukte (20) stabilisiert ist, die sich aufgrund der Einbringung der Frischgase (8) mit einem ausreichend hohen axialen Impuls, insbesondere mittels einer Zufuhrgeschwindigkeit der Frischgase (8) von mindestens 60 m/s, in dem Brennraum (3) ausbildet.

11. Brennersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Zufuhrdüsen (10) vorhanden sind, wobei die Zufuhrdüsen (10) auf zumindest einem, insbesondere kreisförmigen, Düsenring (42) und/oder in einer Reihenanordnung mit zumindest zwei einander gegenüberliegenden Düsenreihen (44.1, 44.2) an der Stirnwand (6) angeordnet sind.

12. Verfahren zum Betreiben eines Brennersystems (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Verbrennungsprozess mittels einer, insbesondere großräumigen, Rezirkulationszone (5) aus heißen Verbrennungsprodukten (20) mit einer heißen Staupunktströmung (26) innerhalb eines Brennraums (3) stabilisiert wird, wobei durch eine Brennkammerwand (3), insbesondere durch eine eingangsseitige Stirnwand (6), mittels einer Kühldüse (14) ein Kühlmedium (18) koaxial zu der heißen Staupunktströmung (26), insbesondere in Wandnormalenrichtung, in den Brennraum (3) zugegeben wird.

13. Verfahren zur Herstellung eines Brennersystems (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem ein Kühlsystem zur Kühlung zumindest eines Teils einer Brennkammerwand (3), insbesondere einer Stirnwand (6), implementiert wird, wobei zumindest eine Kühldüse (14) zur Zugabe von Kühlmedium (18) in einen Brennraum (3) koaxial zu einer heißen Staupunktströmung (26) einer, insbesondere großräumigen, den Verbrennungsprozess stabilisierenden Rezirkulationszone (5) aus heißen Verbrennungsprodukten (20) an einer geeigneten Position einer Brennkammerwand (4), insbesondere an einer Stirnwand (6), eingebracht wird, wobei die Kühldüse (14) ausgebildet wird zur Zugabe eines geeigneten Massenstroms an Kühlmedium (18).

14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kühlsystem mit der zumindest einen Kühldüse (14) und dem Massenstrom des Kühlmediums (18) so auf eine heiße Staupunktströmung (26) einer in dem Brennraum (3) gebildeten Rezirkulationszone (5) abgestimmt werden, dass im Betrieb eine in Richtung des Staupunktes (28) der heißen Staupunktströmung (26) strömende kalte Staupunktströmung (30) derart erzeugt wird, dass einerseits ein Ausströmen von Verbrennungsprodukten (20) in und/oder durch die Kühldüse (14) unterbunden wird und andererseits die Rezirkulationszone (5) stabilisierend erhalten bleibt.

Zeichnung