CH699760A2 - Brennstoffdüse mit einem Brennstoff-Luft-Vormischer für eine Gasturbinenbrennkammer. - Google Patents

Abstract

Es wird eine Brennstoffdüse mit aktiver Kühlung bereitgestellt. Sie enthält eine äussere Umfangswand (11) und einen Düsenmittelkörper (12), der konzentrisch innerhalb der äusseren Wand (11) in einem Brennstoff-Luft-Vormischer (14) angeordnet ist. Der Brennstoff-Luft-Vormischer (14) enthält einen Lufteinlass (15), einen Brennstoffeinlass (16) und einen Vormischdurchgang (21), der zwischen der äusseren Wand (11) und dem Mittelkörper (12) definiert ist. Es ist ein Gasbrennstoff Strömungsdurchgang (23) vorhanden. Ein erster Kühldurchgang (32) ist in dem Mittelkörper (12) enthalten, und ein zweiter Kühldurchgang (43) ist zwischen dem Mittelkörper (12) und der äusseren Wand (11) definiert.

Description

  Allgemeiner Stand der Technik

  

[0001]    Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoff-Luft-Vormischer für Gasturbinenverbrennungssysteme und insbesondere ein Kühlsystem, dass eine Flammenaufnahme ohne Beschädigung des Systems gestattet.

  

[0002]    Die hauptsächlichen luftverschmutzenden Emissionen, die in der Regel durch Gasturbinen erzeugt werden, die herkömmliche Kohlenwasserstoff-Treibstoffe verbrennen, sind Stickoxide, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Es ist dem Fachmann bestens bekannt, dass die Oxidation von molekularem Stickstoff in luftatmenden Triebwerken in hohem Grade von der maximalen Heissgastemperatur in der Reaktionszone des Verbrennungssystems abhängt. Ein Verfahren zum Steuern der Temperatur der Reaktionszone der Brennkammer einer Wärmekraftmaschine unter den Wert, bei dem thermisches NOx entsteht, besteht darin, Brennstoff und Luft vor dem Verbrennen zu einem Magergemisch vorzumischen, was oft als ein "Dry Low NOx" (DLN)-Verbrennungssystem bezeichnet wird.

   Die thermische Masse der überschüssigen Luft, die in der Reaktionszone einer mager vorgemischten Brennkammer vorhanden ist, absorbiert Wärme und verringert den Temperaturanstieg der Verbrennungsprodukte auf einen Pegel, bei dem thermisches NOx deutlich verringert wird.

  

[0003]    Es gibt eine Reihe von Schwierigkeiten in Verbindung mit "Dry Low Emissions"-Brennkammern, die mit einer Magervormischung von Brennstoff und Luft arbeiten. Und zwar gibt es entflammbare Gemische von Brennstoff und Luft innerhalb der VormischSektion der Brennkammer, die ausserhalb der Reaktionszone der Brennkammer liegt. In der Regel gibt es eine Geschwindigkeit in dem Luftstrombrennerrohr, oberhalb der eine Flamme in dem Vormischer aus einer Primärbrennzone herausgedrückt wird.

   Es besteht die Möglichkeit einer Verbrennung innerhalb der Vormischsektion infolge eines Flammenrückschlags, wozu es kommt, wenn sich die Flamme von der Reaktionszone der Brennkammer in die Vormischsektion hinein ausbreitet, oder einer Selbstentzündung, wozu es kommt, wenn die Verweildauer und Temperatur für das Brennstoff-Luft-Gemisch in der Vormischsektion ausreichen, um eine Verbrennung einzuleiten, ohne dass es zu einem Flammenrückschlag oder einem sonstigen Entzündungsereignis kommt. Die Folgen einer Verbrennung in der Vormischsektion und des daraus resultierenden Verbrennens in der Düse, sind eine Verschlechterung der Emissionsleistung und/oder ein Überhitzen und Beschädigen der Vormischsektion.

   Oder anders ausgedrückt: Wenn eine Flamme im Vormischer gebildet wird, so kann es in weniger als zehn Sekunden infolge der extrem hohen thermischen Belastung zu einer Beschädigung des Mittelkörpers, des Brennerrohres und/oder der Schaufeln kommen.

  

[0004]    Im Fall von Erdgas als dem Brennstoff können Vormischer mit einer ausreichenden Flammenaufnahmetoleranz in der Regel mit einem akzeptabel niedrigen luftseitigen Druckabfall konstruiert werden. Im Fall von reaktiveren Brennstoffen, wie zum Beispiel synthetischem Gas ("Syngas"), Syngas mit Kohlenstoffbindung vor der Verbrennung (was zu einem Wasserstoffreichen Brennstoff führt) und sogar Erdgas mit erhöhten prozentualen Anteilen an höheren Kohlenwasserstoffen, wird jedoch das Konstruieren im Hinblick auf Flammenaufnahmetoleranz und Soll-Druckabfall zu einer Herausforderung. Da der Auslegungspunkt von Düsen des Standes der Technik eine Luftstromflammtemperatur von 3000 Grad Fahrenheit erreichen kann, könnte ein Flammenrückschlag in die Düse hinein in kürzester Zeit schwerwiegende Schäden an der Düse hervorrufen.

   Experimente mit Wasserstoffreichen Brennstoffen und DLN-Vormischern, die für diese Brennstoffe modifiziert wurden, offenbaren die Schwierigkeiten, die Düsen des Standes der Technik unter realen Triebwerksbedingungen mit dem Bestehen von Flammenaufnahmetests haben. Ein "bestandener" Test ist einer, bei dem eine Flamme im Inneren des Vormischers nicht in dem Vormischer bleibt, sondern vielmehr stromabwärts in die normale Verbrennungszone hineingeschoben wird.

Kurzdarstellung-der Erfindung

  

[0005]    Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoffdüse bereitgestellt, die eine äussere Umfangswand und einen Düsenmittelkörper, der konzentrisch innerhalb der äusseren Wand angeordnet ist, umfasst. Es wird ein Brennstoff-Luft-Vormischer bereitgestellt, der einen Lufteinlass, einen Brennstoffeinlass und einen Vormischdurchgang, der zwischen der äusseren Wand und dem Mittelkörper definiert ist und sich mindestens teilweise entlang des Umfangs erstreckt, enthält. Ausserdem wird ein Gasbrennstoff Strömungsdurchgang bereitgestellt, der in dem Mittelkörper definiert ist und sich mindestens teilweise entlang des Umfangs erstreckt.

   Die Düse enthält einen ersten Kühldurchgang, der in dem Mittelkörper definiert ist und sich mindestens teilweise entlang seines Umfangs erstreckt, und einen zweiten Kühldurchgang, der zwischen dem Mittelkörper und der äusseren Umfangswand definiert ist.

  

[0006]    Gemäss einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffdüse bereitgestellt. Die Brennstoffdüse enthält eine äussere Umfangswand, einen Düsenmittelkörper, der in der anderen Wand angeordnet ist, und einen Brennstoff-Luft-Vormischer, der einen Lufteinlass, einen Brennstoffeinlass und einen Vormischdurchgang, der zwischen der äusseren Umfangswand und dem Mittelkörper definiert ist, enthält. Mindestens ein Kühldurchgang ist innerhalb der Düse definiert und erstreckt sich mindestens teilweise entlang ihres Umfangs, und ein GasbrennstoffStrömungsdurchgang ist in dem Mittelkörper definiert und erstreckt sich mindestens teilweise entlang seines Umfangs. Das Verfahren umfasst das Strömen eines Kühlfluids durch den Kühldurchgang und das Auftreffen des Kühlfluids auf eine Innenfläche einer Endfläche des Mittelkörpers.

   Das Verfahren umfasst des Weiteren das Strömen von Kühlfluid neben der äusseren Wand und das Ausstossen von Kühlfluid in den Vormischdurchgang, der zwischen dem Düsenmittelkörper und der äusseren Wand der Düse definiert ist.

  

[0007]    Die vorliegende Erfindung eines aktiv gekühlten Vormischers ermöglicht das Betreiben eines DLN-Verbrennungssystems, das flammenaufnahmetolerant ist, wodurch genügend Zeit zur Verfügung steht, um eine Flamme in dem Vormischer zu detektieren und den Zustand mit Hilfe eines Kontrollsystems zu korrigieren. Dies ermöglicht vorteilhafterweise das Betreiben von Verbrennungssystemen mit Syngas, Wasserstoffreichen und sonstigen reaktiven Brenn-Stoffen mit einem deutlich verminderten Risiko teurerer Bauteilschäden und erzwungener Ausfälle.

  

[0008]    Diese und andere Vorteile und Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

  

[0009]    Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, wird in den Ansprüchen am Schluss der Spezifikation besonders herausgehoben und ausdrücklich beansprucht. Die oben dargelegten und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich, in denen Folgendes dargestellt ist:
<tb>Fig. 1<sep>ist eine flammenaufnahmetolerante Düse gemäss der vorliegenden Erfindung;


  <tb>Fig. 2<sep>ist eine weitere Ausführungsform der flammenaufnahmetoleranten Düse der vorliegenden Erfindung;


  <tb>Fig. 3<sep>ist eine weitere Ausführungsform der flammenaufnahmetoleranten Düse der vorliegenden Erfindung.

  

[0010]    Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung, zusammen mit Vorteilen und Merkmalen, beispielhaft anhand der Zeichnungen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

  

[0011]    Flammenaufnahmetoleranz kann mit Hilfe eines weiterentwickelten Kühlsystems erreicht werden. Das Kühlsystem der vorliegenden Erfindung umfasst eine Kombination aus rückseitiger Konvektionskühlung, Prallkühlung und Filmkühlung. Die Betriebskühlmittelfluide können von jeder dem Durchschnittsfachmann bekannten Art sein, wie z. B. Stickstoff, Luft, Brennstoff oder Kombinationen daraus. Darum erlaubt die vorliegende Erfindung die Erweiterung alternativer Düsenkonstruktionen, da die Düsen nicht flammenaufnahmefest zu sein brauchen. Wenn die Düsen mit einem weiterentwickelten Kühlsystem verwenden werden, genügt es, wenn sie flammenaufnahmetolerant sind.

  

[0012]    Wenden wir uns nun Fig. 1zu, wo die Erfindung anhand konkreter Ausführungsformen in einem nicht-einschränkenden Sinn beschrieben wird und wo ein Querschnitt durch eine Brennerbaugruppe 10 gezeigt ist. Die Brennerbaugruppe 10 enthält eine äussere Umfangswand 11 und einen Düsenmittelkörper 12, der innerhalb der äusseren Wand 11 angeordnet ist. Der Brennstoff-Luft-Vormischer 14 enthält einen Lufteinlass 15, einen Brennstoffeinlass 16, Verwirbelungsschaufeln 22, von denen aus Brennstoff eingespritzt wird, die Bereiche zwischen den Schaufeln, die als Schaufeldurchgänge 17 definiert sind, und einen ringförmigen Vormischdurchgang 21, der stromabwärts davon, zwischen der äusseren Wand 11 und dem Mittelkörper 12, angeordnet ist.

  

[0013]    Wie gezeigt, tritt Brennstoff durch den Brennstoffeinlass 16 in dem Brennstoffdurchgang 23 in den Düsenmittelkörper 12 ein. Der Brennstoff trifft auf eine Zwischenwand 24 auf, woraufhin er radial in Schaufeldurchgänge 26 gerichtet wird, die in der vorderen Hälfte der Schaufeln 22 angeordnet sind, und durch Brennstoffeinspritzöffnungen 25 in Schaufeldurchgänge 17 hinein ausgestossen wird. Gleichzeitig wird Hauptluft durch den Lufteinlass 15 in Schaufeldurchgänge 17 gerichtet. Wenn sich die Luft über das Flügelprofil der Schaufeln 22 hinweg bewegt, beginnt sie sich mit Gasbrennstoff zu vermischen, der aus einer oder mehreren Öffnungen 25 ausgespritzt wird, und vermischt sich innerhalb des Vormischdurchgangs 21 weiter. Die Schaufeln können gekrümmt sein, um das Fluid zu verwirbeln.

   Wenn das Brennstoff-Luft-Gemisch den Vormischdurchgang 21 verlässt, tritt es in eine normale Verbrennungszone 30 ein, wo die Verbrennung stattfindet. Diese aerodynamische Gestaltung ist sehr effektiv für das Vermischen der Luft und des Brennstoffs, für das Erreichen niedriger Emissionswerte und auch für die Stabilisierung der Flamme stromabwärts des Brennstoffdüsenaustritts in der Reaktionszone der Brennkammer.

  

[0014]    Im Volllastbetrieb sollte sich die Flamme zum Zweck der NOx-Minimierung stromabwärts des Vormischdurchgangs 21 befinden. Gelegentlich kommt es zu einem Flammenrückschlag in den Vormischdurchgang 21 und/oder in die Schaufeldurchgänge 17 hinein. Wenn ein Flammenrückschlag oder ein anderes flammeninduzierendes Ereignis eintritt, so kann die Flamme in dem Vormischer aufgenommen werden und den Mittelkörper 12, den Brenner und/oder die Schaufeln 22 beschädigen.

  

[0015]    Die vorliegende Erfindung einer aktiv gekühlten Brennerbaugruppe 10 gestattet den Betrieb eines "Dry Low NOx"-Verbrennungssystems, das in Situationen flammenaufnahmetolerant ist, wenn eine Flamme in dem Brenner 10 aufgenommen wird. Dementsprechend wird ein Kühlgas durch einen Kühlmitteleinlass 31 in den Mittelkörper 12 eingeleitet. Das Kühlmittel strömt in dem Kühldurchgang 32, bis es auf die Innenseite einer Endwand 33 auftrifft, woraufhin das Kühlmittel seine Strömungsrichtung umkehrt und in einen Umkehrströmungsdurchgang 34 eintritt. Der Umkehrströmungsdurchgang 34 ist konzentrisch zum Kühldurchgang 32 angeordnet und kann eine Reihe von Rippen 35 enthalten, die ringförmig entlang des Strömungsdurchgangs 34 angeordnet sind, um die Wärmeübertragung zu optimieren und zu vergrössern.

   Die Rippen 35 können natürlich jede beliebige Form annehmen, einschliesslich diskreter bogenförmiger Ringe, die entlang des Umfangs von einer Innenumfangswand 36 des Strömungsdurchgangs 34 abstehen, oder voneinander unabhängiger Noppen, die ebenfalls von der Innenumfangswand 36 des Strömungsdurchgangs 34 hervorstehen.

  

[0016]    Am Ende des Umkehrströmungsdurchgangs 34, gegenüber der Endwand 33, trifft das Kühlmittel auf die Zwischenwand 24 auf und wird durch Öffnungen 41 in Kammern 42 der hinteren Hälfte der Schaufeln 22 gerichtet. Das Kühlmittel strömt durch Kammern 42 und in einen ringförmigen Hohlraum 43, der zwischen der äusseren Umfangswand 11 und einer inneren Brennerwand 44 definiert ist. Mehrere kleine Löcher 45, die in der inneren Brennerwand 44 angeordnet sind, können dafür verwendet werden, das Kühlmittel einen Film an der inneren Brennerwand 44 bilden zu lassen, der sie vor heissen Verbrennungsgasen schützt. Das Kühlmittel wird auch axial stromaufwärts in dem ringförmigen Hohlraum 43 gerichtet, damit das Kühlmittel durch kleine Löcher 45 stromaufwärts der vorderen Hälfte der Schaufeln 22 austreten kann.

  

[0017]    Es wird nun der Strömungsverlauf in Figur1näher beschrieben. Während der Brennstoff in den Einlass 16 in den Brennstoffdurchgang 23 hinein eintritt und aus Einspritzöffnungen 25 austritt, wird Kühlmittel in den Kühlmitteleinlass 31 hinein gerichtet. Während es in dem Kühldurchgang 32 entlang strömt, kühlt es umfänglich das Innere des Durchgangs 32, bis es auf die Endwand 33 auftrifft und eine Prallkühlung direkt neben der Verbrennungsreaktionszone bewirkt. Wenn das Kühlmittel in dem Umkehrströmungsdurchgang 34 axial stromaufwärts zurückgerichtet wird, erfolgt eine rückseitige Konvektionskühlung neben dem Vormischdurchgang 21.

   Nachdem das Kühlmittel durch die Kammern 42 der Schaufeln 22 gerichtet wurde, tritt es in den ringförmigen Hohlraum 43 ein und tritt über kleine Löcher oder Öffnungen 45 aus, um eine Filmkühlung an der inneren Ringfläche 44 der Brennerwand 11 auszuführen. Dieses aktiv gekühlte Vormischersystem ermöglicht die Aufnahme einer Flamme innerhalb des Vormischdurchgangs 21 über einen signifikanten Zeitraum ohne Schäden am Brenner 10. Bei Tests der Vorrichtungen wurde festgestellt, dass Flammen in dem Vormischer mit stabilen Brennerwandtemperaturen bis zu einer Minute hintereinander ohne Eintreten von Schäden aufgenommen wurden. Bei wiederholten Tests wurde eine Flamme über eine Gesamtdauer von sieben Minuten ohne Schäden aufgenommen.

  

[0018]    Wenden wir uns nun Fig. 2zu, wo eine weitere Ausführungsform einer Brennerbaugruppe 110 gezeigt ist. Die Geometrie der Brennerbaugruppe 110 ähnelt der Geometrie der Brennerbaugruppe 10, und gleiche Elemente sind mit ähnlichen Bezugszahlen bezeichnet. Jedoch funktionieren die Kühlmerkmale der Brennerbaugruppe 110 in einer anderen Weise als bei der Brennerbaugruppe 10, wie deutlich werden wird.

  

[0019]    Die Brennerbaugruppe 110 enthält eine äussere Umfangswand 111 und einen Düsenmittelkörper 112, der innerhalb der äusseren Wand 111 angeordnet ist. Der Brennstoff-Luft-Vormischer 114 enthält einen Lufteinlass 115, einen Brennstoffeinlass 116, Verwirbelungsschaufeln 122, die Bereiche zwischen den Schaufeln, die als Schaufeldurchgänge 117 definiert sind, und einen Vormischdurchgang 121, der stromabwärts davon, zwischen der äusseren Wand 111 und dem Mittelkörper 112, angeordnet ist.

  

[0020]    Wie gezeigt, tritt Brennstoff durch den Brennstoffeinlass 116 hindurch in den Brennstoffdurchgang 132 hinein in den Düsenmittelkörper 112 ein. Der Brennstoff strömt axial entlang der gesamten Länge des Mittelkörpers 112 und trifft auf das Innere einer Endwand 133 auf, woraufhin der Brennstoff seine Strömungsrichtung umkehrt und in einen Umkehrströmungsdurchgang 134 eintritt. Der Umkehrströmungsdurchgang 134 ist konzentrisch zu dem Brennstoff Strömungsdurchgang 132 angeordnet und kann eine Reihe von Rippen 135 enthalten, die ringförmig entlang des Strömungsdurchgangs 134 angeordnet sind, um die Wärmeübertragung zu optimieren und zu vergrössern, wie im vorliegenden Text beschrieben wird.

   Wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 können die Rippen 135 jede beliebige Form annehmen, einschliesslich diskreter bogenförmiger Ringe, die entlang des Umfangs von einer Innenumfangswand 136 des Strömungsdurchgangs 134 abstehen, oder voneinander unabhängige Noppen, die ebenfalls von der Innenumfangswand 136 des Strömungsdurchgangs 134 abstehen.

  

[0021]    An dem axial verlaufenden Ende des Umkehrströmungsdurchgangs 134 gegenüber der Endwand 133 trifft Brennstoff auf eine Zwischenwand 124 auf und wird in Kammern 142 hinein gerichtet, die in dem mittleren und hinteren Abschnitt der Schaufeln 122 angeordnet sind. Daraufhin wird der Brennstoff durch Einspritzöffnungen 125 in Schaufeldurchgänge 117 hinein ausgetrieben. Gleichzeitig wird Hauptluft durch den Lufteinlass 115 in Schaufeldurchgänge 117 hinein gerichtet. Wenn Luft über das Flügelprofil der Schaufeln 122 strömt, so beginnt sie sich mit dem Gasbrennstoff zu vermischen, der aus den Einspritzöffnungen 125 eingespritzt wird, und vermischt sich innerhalb des Vormischdurchgangs 121 weiter.

   Wenn das Brennstoff-Luft-Gemisch den Vormischdurchgang 120 verlässt, ist es im Wesentlichen vollständig vermischt und tritt in die Reaktionszone der Brennkammer ein, wo die Verbrennung stattfindet. Dieser Brenner 110 ist sehr effektiv für das Vermischen der Luft und des Brennstoffs, für das Erreichen niedriger Emissionswerte und auch für die Stabilisierung der Flamme stromabwärts des Brennstoffdüsenaustritts in der Reaktionszone der Brennkammer.

  

[0022]    Um den Brennstoff als ein Wärmeübertragungsfluid zu nutzen, bevor er mit der Luft vermischt wird, unterscheiden sich die Kühlmerkmale der in Fig. 2gezeigten Brennerbaugruppe von den Kühlmerkmalen von Fig. 1. Dementsprechend wird ein Kühlgas durch einen Kühlmitteleinlass 131 hindurch in den Kühlmitteldurchgang 123 hinein in den Mittelkörper 112 eingeleitet. Das Kühlmittel trifft auf eine Zwischenwand 124 auf, woraufhin es radial in Schaufeldurchgänge 126 hinein gerichtet wird, die sich in der vorderen Hälfte der Schaufeln 22 befinden. Das Kühlmittel strömt durch die Schaufeldurchgänge 126 und in einen ringförmigen Hohlraum 143 hinein, der zwischen der äusseren Umfangswand 111 und der inneren Brennerwand 144 definiert ist.

   Danach verlässt das Kühlmittel den ringförmigen Hohlraum 143 durch eine ringförmige Öffnung 146, die sich in einer ringförmigen Endwand 147 der äusseren Wand 111 befinden, und strömt in eine normale Verbrennungszone 130. Es versteht sich, dass das Kühlmittel auch durch die ringförmige Endwand 147, durch eine Reihe diskreter Löcher oder Öffnungen oder bogenförmige Öffnungen anstatt durch die ringförmige Öffnung 146 hindurch ausgetrieben werden kann.

  

[0023]    Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, tritt Brennstoff in den Einlass 116 und in den Brennstoffdurchgang 132 ein und tritt aus Einspritzöffnungen 125 aus, während Kühlmittel in den Kühlmitteleinlass 131 hinein gerichtet wird. Jedoch erzeugt der Brennstoff innerhalb des Brennstoffdurchgangs 132 eine beträchtliche Kühlwirkung, wenn er unter Druck gerichtet wird. Er strömt entlang des Durchgangs 132 und trifft auf die innere Seitenwand 133 des Mittelkörpers 112 auf. Wenn der Brennstoff ström in dem Umkehrströmungsdurchgang 134 axial stromaufwärts zurückgerichtet wird, so erfolgt eine rückseitige Konvektionskühlung neben dem Vormischdurchgang 121. Somit wird die Aussenumfangsfläche des Mittelkörpers 112 sowohl durch Prallkühlung als auch durch Konvektionskühlung gekühlt, weil Brennstoff in den inneren Durchgängen des Brenners 110 entlang strömt.

   Das Kühlmittel wird in den Kühlmitteleinlass 131 und die Kühlmitteldurchgänge 123, die den Brennstoffdurchgang 132 konzentrisch umgeben, hinein gerichtet. Das Kühlmittel trifft auf die Zwischenwand 124 auf und wird radial durch die Schaufeldurchgänge 126 der Schaufeln 122 zurückgerichtet. Die äussere Umfangswand 111 des Brenners wird des Weiteren durch Kühlmittel gekühlt, das innerhalb eines ringförmigen Hohlraums 143 strömt und durch kleine Löcher 145 austritt, wodurch eine Filmkühlung an der inneren Brennerwand 144 und eine rückseitige Konvektionskühlung an der Aussenseite der äusseren Wand 111 bewirkt wird, während das Kühlmittel durch den ringförmigen Hohlraum 143 strömt.

  

[0024]    Wenden wir uns nun Fig. 3zu. Es handelt sich um eine Modifizierung der Ausführungsform von Fig. 1 (wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind), die ein modifiziertes Kühlregime zeigt. Genauer gesagt, strömt Kühlmittel durch die Schaufeldurchgänge 42 und in einen ringförmigen Hohlraum 343 hinein, der zwischen einer äusseren Umfangswand 311 und einer inneren Brennerwand 344 definiert ist. Mehrere kleine Löcher 345 und 346, die in der inneren Brennerwand 344 neben einer ringförmigen Endwand 347 bzw. neben der Vorderkante der Schaufeln 222 und den Schaufeldurchgängen 217 angeordnet sind, bewirken eine zielgerichtete Filmkühlung entlang der Brennerwand 344 in diesen Bereichen.

  

[0025]    Des Weiteren ist eine Reihe von Rippen 351 ringförmig entlang des Aussenumfangs der Brennerwand 344 und innerhalb des ringförmigen Hohlraums 343 angeordnet, um die Wärmeübertragung in der gleichen Weise wie die Rippen 35 in dem Strömungsdurchgang 34 zu optimieren und zu vergrössern. Es versteht sich, dass die Rippen 351 jede beliebige Form in dem ringförmigen Hohlraum 343 annehmen können, einschliesslich bogenförmiger Ringe oder voneinander unabhängiger Noppen, die sich von der Brennerwand 344 in den ringförmigen Hohlraum 343 hinein erstrecken.

  

[0026]    In den gezeigten Ausführungsformen strömt das Kühlfluid die ganze Zeit, während die Brennkammer in Betrieb ist, damit der Vormischer in jedem Augenblick einen Flammenrückschlag oder ein Flammenaufnahmeereignis unbeschadet überstehen kann.

  

[0027]    Dem Durchschnittsfachmann leuchtet ein, dass die Filmkühlungsgeometrie je nach Anwendung und Düsengrösse grosse Unterschiede aufweisen kann. Eine ausreichende Kühlung kann je nach der Art des verwendeten Brennstoffs, den Brennstoff- und Luftströmungsgeschwindigkeiten und den konkreten Geometrien, die das Einspritzen und Vermischen des Brennstoffs bestimmen, unterschiedlich sein. Zum Beispiel hat man herausgefunden, dass bei einer Düse im Durchmesserbereich von 1,5 Inch die Verwendung eines Wasserstoffreichen Brennstoffs eine ausreichende Filmkühlung erbringt, wenn der Lochabstand oder der seitliche Abstand zwischen benachbarten Kühlmittelauslassöffnungen ungefähr dem Zwei- bis Fünffachen des Durchmessers der Filmkühlungsöffnung entspricht.

   Des Weiteren kann der Einspritzwinkel von Kühlmittel relativ zu der Ebene der äusseren Umfangswand zwischen 20 und 90 Grad variieren. Und schliesslich hat man herausgefunden, dass es die Kühlwirkung verbessert, wenn Kühlmittel in einem zusätzlichen Raumwinkel relativ zu einer axialen Strömungsrichtung in den Brenner eingespritzt wird. Dieser Raumwinkel kann ebenfalls von 20 bis 90 Grad variieren, aber Tests haben gezeigt, dass ein Winkel von ungefähr 30 Grad in vielen unterschiedlichen Situationen funktioniert.

  

[0028]    Dem Durchschnittsfachmann leuchtet ein, dass viele Arten von Gaskühlmittel verwendet werden können und dass viele von einer Ausführungsform zur anderen variieren können. Das Kühlmittel kann zum Beispiel von Faktoren abhängig sein wie der Verfügbarkeit und Menge von Kühlmittel am Standort, den Kosten des Komprimierens des Kühlmittels auf einen erforderlichen Druck, den physikalischen Eigenschaften des Kühlmittels und den Vorteilen eines Inertgases, wenn Filmkühlung verwendet wird. Wenn zum Beispiel das Kühlmittel ein Inertgas umfasst, wie zum Beispiel Stickstoff, so dient die Filmkühlung an der Brennerwand 44 oder 144 auch dazu, die Wand im Wesentlichen von allen Spezies zu isolieren, die an der Verbrennungsreaktion beteiligt sind, wodurch das Risiko einer Beschädigung weiter verringert werden kann.

   Bei dem Kühlmittel kann es sich auch um eines aus einer beliebigen Anzahl von Arbeitsfluiden handeln, einschliesslich beispielsweise Stickstoff, Luft oder Brennstoff. Wie im vorliegenden Text beschrieben, ist je nach der Gestaltung der Düse und den Systemeigenschaften sogar eine Kombination verschiedener Kühlfluide möglich.

  

[0029]    Obgleich die Erfindung ausführlich in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich ohne Weiteres, dass die Erfindung nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung so modifiziert werden, dass sie jede beliebige Anzahl von Variationen, Abänderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen enthalten kann, die oben nicht beschrieben wurden, die aber unter den Geist und Geltungsbereich der Erfindung fallen. Des Weiteren versteht es sich, dass, obgleich verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen zu enthalten brauchen.

   Dementsprechend ist die Erfindung nicht so zu verstehen, als werde sie durch die obige Beschreibung eingeschränkt; vielmehr wird sie allein durch den Geltungsbereich der angehängten Ansprüche eingeschränkt.

Claims (10)

1. Brennstoffdüse, die Folgendes umfasst: eine äussere Umfangswand (11);

einen Düsenmittelkörper (12), der innerhalb der äusseren Wand (11) angeordnet ist;

einen Brennstoff-Luft-Vormischer (14), der einen Lufteinlass (15), einen Brennstoffeinlass (16) und einen Vormischdurchgang (121), der zwischen der äusseren Wand (11) und dem Mittelkörper (12) definiert ist und sich mindestens teilweise entlang seines Umfangs erstreckt, enthält;

einen Gasbrennstoffdurchgang (23, 1-32), der innerhalb des Mittelkörpers (12) definiert ist und sich mindestens teilweise entlang seines Umfangs erstreckt;

einen ersten Kühldurchgang (32, 123), der innerhalb des Mittelkörpers (12) definiert ist und sich mindestens teilweise entlang seines Umfangs erstreckt; und

einen zweiten Kühldurchgang (43, 143), der zwischen dem Mittelkörper (12) und der äusseren Umfangswand (11) definiert ist.

2. Düse nach Anspruch 1, wobei der erste Kühlströmungsdurchgang (32, 123) mit dem Vormischdurchgang (121), der zwischen dem Düsenmittelkörper (12) und der äusseren Wand (11) definiert ist, in Strömungsverbindung steht.

3. Düse nach Anspruch 1, wobei der zweite Kühlströmungsdurchgang (143) mit dem Vormischdurchgang (121), der zwischen dem Düsenmittelkörper (12) und der äusseren Wand (11) definiert ist, in Strömungsverbindung steht.

4. Düse nach Anspruch 1, wobei der erste Kühldurchgang (32, 123) mit dem zweiten Kühldurchgang (43, 143) in Strömungsverbindung steht.

5. Düse nach Anspruch 1, wobei in dem ersten Kühldurchgang (32, 123) ringförmig beabstandete Rippen (35) angeordnet sind.

6. Düse nach Anspruch 1, wobei der erste Kühldurchgang (32, 123) einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt (34, 134) enthält, wobei der erste Abschnitt an einer Endplatte (33, 124) des Mittelkörpers (12) endet und wobei sich der zweite Abschnitt von der Endplatte bis mindestens zu einer Öffnung (146) erstreckt, die in einer äusseren Wand (11, 111, 311) des Mittelkörpers (12) angeordnet ist.

7. Düse nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine Öffnung (146) in Strömungsverbindung mit dem Vormischdurchgang (120, 121) steht.

8. Düse nach Anspruch 1, wobei der GasbrennstoffStrömungsdurchgang (23, 132) und der erste Kühldurchgang (32, 123) koinzident sind.

9. Düse nach Anspruch 1, wobei der Brennstoff-Luft-Vormischer (14) Schaufeln (22, 122, 222) enthält, wobei die Schaufeln interne Kühldurchgänge (42, 126) enthalten, wobei die internen Kühldurchgänge in den Schaufeln in Strömungsverbindung mit dem ersten und dem zweiten Strömungsdurchgang (34, 134) stehen.

10. Düse nach Anspruch 1, wobei der zweite Kühldurchgang (43, 143) mindestens eine Auslassöffnung (45, 146) enthält.