Sicherheitskriterien für die vorgemischte Verbrennung wasserstoffhaltiger Brennstoffe in Gasturbinen

Das in Gasturbinen etablierte Konzept der mageren Vormischverbrennung zur Reduzierung von Stickoxiden führt zu Sicherheitsproblemen, wenn wasserstoffhaltige oder andere sehr reaktive Brennstoffe verwendet werden. In dieser Arbeit wurden analytische Modelle zur Beurteilung der Sicherheit von Drallbrennern und Brennstoffinjektionskonzepten entwickelt. Die zugrunde liegende Datenbasis wurde experimentell in isothermer und reagierender Strömung erhoben. DieWiderstandsfähigkeit eines Brenners gegen Flammenrückschlag kann mit dem Verhältnis aus Strömungs- und Brenngeschwindigkeit im Brennkammereinlass bewertet werden. Die Regenerationsfähigkeit der Strömung in der Vormischzone wird durch die Beziehung zwischen der kritischen Damköhler-Zahl und dem Kehrwert des effektiven Geschwindigkeitsverhältnisses von Brennstoffjet und Luftströmung beschrieben. Jet-in-Crossflow-Brennstoffinjektion bei gleichmäßiger radialer Verteilung der Injektionspunkte verspricht die höchste Betriebssicherheit, wenn für eine magere Kernströmung mit großem Axialimpuls gesorgt wird.

In gas turbines the lean premixed combustion concept for reducing nitrogen oxides leads to security problems if hydrogen-containing or other highly reactive fuels are burned. In this work analytical models to assess the operational safety of swirl burners and fuel injection concepts were developed. The data basis was raised experimentally in isothermal and reactive flow. The resistance of a burner against flashback can be evaluated by the ratio of flow velocity and flame speed in the combustion chamber inlet. The flow’s regenerative ability in the premixing zone is described by the relationship between the critical Damköhler number and the reciprocal of the effective velocity ratio of fuel jet and air flow. Jet-in-crossflow fuel injection with uniform radial distribution of the injection points promises the highest operational safety, if a lean core flow with large axial momentum is provided.