CH703571B1 - Brennstoffdüsenanordnung mit einer Mehrzonenbrennstoffdüse. - Google Patents

Abstract

Eine Brennstoffdüsenanordnung für eine Turbine enthält eine Brennkammerkappe (102) und mehrere Brennstoffdüsen (110, 112a–c, 114a–c), die an der Brennkammerkappe (102) montiert sind. Eine oder mehrere der Brennstoffdüsen (110, 114a–c) sind als Mehrzonenbrennstoffdüsen ausgeführt und enthalten zwei gesonderte Brennstoffzuführkanäle, die individuell steuerbar mit Brennstoff versorgt sind. Die Brennstoffdüsenanordnung kann so gesteuert werden, dass einzelne innere und/oder äussere Brennstoffzuführkanäle der Brennstoffdüsen (110, 112a–c, 114a–c) betrieben oder absichtlich abgeschaltet werden. Ein Betrieb einer Brennstoffdüsenanordnung auf diese Weise hilft, die Erzeugung unerwünschter und möglicherweise schädlicher Geräusche zu reduzieren oder zu eliminieren.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffdüsenanordnungen für Turbinenmaschinen.

Hintergrund zu der Erfindung

[0002] Turbinen, die in der elektrischen Energieerzeugungsindustrie eingesetzt werden, enthalten gewöhnlich mehrere Brennkammern, die konzentrisch rings um die Aussenseite des Verdichterabschnitts der Turbine angeordnet sind. In jeder Brennkammer sind gewöhnlich mehrere Brennstoffdüsen an einer Brennkammerkappe montiert, die in der Nähe des stromaufwärtigen Endes der Brennkammer angeordnet ist. Komprimierte Luft strömt durch die Düsen hindurch und an diesen vorbei, um eine Verbrennungszone innerhalb der Brennkammer zu erreichen. Während die Luft durch die Brennstoffdüsen und an diesen vorbeiströmt, wird Brennstoff in die Luftströmung injiziert, und die Luft und der Brennstoff vermischen sich miteinander, um ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu bilden, das in der Verbrennungszone der Brennkammer gezündet wird.

[0003] In vielen Brennkammern ist eine Brennstoffdüse in der Mitte der Brennkammerkappe angeordnet, während mehrere Düsen in symmetrischer Weise um die Aussenseite der mittleren, zentralen Düse herum angeordnet sind.

[0004] Während einiger Betriebsbedingungen liefert nur ein Teilsatz von allen zur Verfügung stehenden Brennstoffdüsen Brennstoff zu der Luftströmung. Zum Beispiel wird Brennstoff in einigen Betriebszuständen nur durch die zentrale Brennstoffdüse geliefert. In anderen Fällen kann Brennstoff durch die zentrale Brennstoffdüse und einen Teilsatz der die zentrale Düse umgebenden Brennstoffdüsen geliefert werden.

[0005] In einigen Brennkammern wirkt die Verbrennungsströmung aus Brennstoff und Luft, wenn unmittelbar benachbarte Brennstoffdüsen beide Brennstoff der Luftströmung zuführen, derart zusammen, dass sie ein hörbares Geräusch erzeugt. Die Erzeugung des hörbaren Geräusches selbst ist unerwünscht. Jedoch können die Schwingungen, die dieses Geräusch erzeugen, über eine längere Zeitdauer hinweg auch schädigend für die Brennkammer sein. Demgemäss ist die Erzeugung eines derartigen hörbaren Geräusches unerwünscht.

[0006] Eine derartige Geräuschentwicklung kann zum Beispiel auftreten, wenn die Düsen Brennstoff mit hohem Wasserstoffgehalt verbrennen. Das Verbrennen eines wasserstoffreichen Brennstoffs kann zu dynamischen Verbrennungstönen mit Frequenzen, die höher sind als 1 kHz, führen.

[0007] Wie vorstehend erläutert, können in dem Fall, wenn die Brennkammerkappenanordnung mehrere Brennstoffdüsen enthält, die an einer Brennkammerkappe montiert sind, und wenn unmittelbar benachbarte Brennstoffdüsen beide Brennstoff einer Luftströmung innerhalb der Brennkammer zuführen, Flammenwechselwirkungen zwischen den beiden benachbarten Brennstoffdüsen, die Erzeugung eines unerwünschten hörbaren Geräusches bzw. Lärms hervorrufen, insbesondere, wenn hohe Wasserstoffkonzentrationen gemeinsam mit anderen Brennstoffen, wie beispielsweise Erdgas, Stickstoff, Kohlenmonoxid und anderen ähnlichen Brennstoffen, verbrannt werden. Es ist möglich, das durch die Wechselwirkung zwischen den beiden benachbarten Brennstoffdüsen erzeugte Geräusch durch Treffen bestimmter Massnahmen zu reduzieren oder zu eliminieren.

[0008] Zum Beispiel kann es möglich sein, nur einen Teilsatz von allen Brennstoffdüsen einzusetzen. Und wenn nur nicht zueinander benachbarte Brennstoffdüsen Brennstoff der Luftströmung zuführen, kann dies die Erzeugung unerwünschter Geräusche reduzieren oder eliminieren. Bedauerlicherweise ist es häufig unmöglich, die Brennkammer derart zu betreiben, dass nur nicht benachbarte Düsen Brennstoff zuführen.

[0009] Wenn zwei benachbarte Brennstoffdüsen beide Brennstoff der Luftströmung zuführen, kann ein Betrieb der benachbarten Brennstoffdüsen bei verschiedenen Druckdifferenzen ebenfalls helfen, die Erzeugung unerwünschter Geräusche zu reduzieren oder zu eliminieren. Für jede Düse ist die Druckdifferenz die Differenz zwischen dem Brennstoffdruck stromaufwärts von der Düse und dem Brennstoffdruck stromabwärts von der Düse. Und weil der Druck stromabwärts von all den Düsen ungefähr der gleiche ist, kann im Allgemeinen die Druckdifferenz zwischen benachbarten Düsen nur dadurch variiert werden, dass der Brennstoffdruck stromaufwärts von einer der Düsen relativ zu der anderen Düse verändert wird.

[0010] Ein Betrieb der beiden benachbarten Brennstoffdüsen bei unterschiedlichen Druckverhältnissen bedeutet gewöhnlich, dass ein Druck des zu einer ersten Düse gelieferten Brennstoffs höher ist als ein Druck des Brennstoffs, der zu einer benachbarten zweiten Düse geliefert wird. Und wenn dies bei baugleichen Brennstoffdüsen vorkommt, neigt die Brennstoffdüse mit dem höheren Brennstoffdruck dazu, grössere Mengen vom Brennstoff der Luftströmung zuzuführen. Diese unausgeglichene Zufuhr von Brennstoff zu der Brennkammer kann eine unvollständige Verbrennung zur Folge haben, die wiederum zu unerwünschten Verbrennungsnebenprodukten führt. Demgemäss ist es nicht stets möglich, zwei benachbarte Brennstoffdüsen bei unterschiedlichen Druckverhältnissen zu betreiben.

[0011] In ähnlicher Weise lassen sich, wenn es erforderlich ist, die beiden benachbarten Brennstoffdüsen gleichzeitig zu betreiben, unerwünschte Geräusche dadurch reduzieren oder eliminieren, dass man einer der beiden benachbarten Brennstoffdüsen, Brennstoff mit einem ersten Durchsatz zuführen lässt und dass man der zweiten der beiden benachbarten Brennstoffdüsen, Brennstoff mit einem anderen zweiten Durchsatz zuführen lässt. Der Unterschied zwischen den Durchsätzen der beiden Düsen scheint die Erzeugung unerwünschter Geräusche zu reduzieren oder zu eliminieren. Hier kann dies jedoch wiederum zu einem unausgeglichen Strömungszustand innerhalb der Brennkammer führen, der zu einer unvollständigen Verbrennung und zu der Erzeugung unerwünschter Emissionen führt.

[0012] Fig. 1 veranschaulicht eine typische Brennstoffdüsenanordnung 100, die eine Brennkammerkappe 102 und mehrere Brennstoffdüsen enthält. Die Brennstoffdüsen enthalten eine mittlere, zentrale Brennstoffdüse 110, einen Teilsatz 112a, 112b, 112c der restlichen Brennstoffdüsen, nachstehend zweiter Teilsatz genannt, die symmetrisch um die zentrale Brennstoffdüse 110 herum angeordnet sind, und einen Teilsatz 114a, 114b, 114c der restlichen Brennstoffdüsen, nachstehend erster Teilsatz genannt, die ebenfalls in symmetrischer Weise um die zentrale Brennstoffdüse 110 herum angeordnet sind.

[0013] Es ist häufig erwünscht, eine Turbine unter variierenden Lastbedingungen zu betreiben. Die Grösse der Leistungsabgabe durch die Turbine kann durch Steuerung der Menge oder des Durchsatzes von Brennstoff, der der Brennkammer durch die Düsen zugeführt wird, variiert werden. Dies kann bewerkstelligt werden, indem in jedem gegebenen Zeitpunkt nur ein Teilsatz von allen zur Verfügung stehenden Brennstoffdüsen betrieben wird.

[0014] Fig. 2 veranschaulicht eine Brennstoffdüsenanordnung, die in drei verschiedenen Betriebszuständen arbeitet, die jeweils dazu führen würden, dass die Turbine eine andere Leistungsmenge erzeugt. In Fig. 2 , und in vielen der anderen Figuren, sind einige Brennstoffdüsen einfach mit einer weissen Fläche innerhalb der Düse veranschaulicht, um anzuzeigen, dass kein Brennstoff aus der Düse herausfliesst. Andere Düsen sind mit einer Schattierung in der Mitte der Düse veranschaulicht, um anzuzeigen, dass Brennstoff aus diesen Düsen herausfliesst. Somit zeigen irgendwelche schattierten Abschnitte einer Düse an, dass Brennstoff aus dem schattierten Teil herausfliesst.

[0015] In einem Betriebszustand 1 (OC1), der ganz links in Fig. 2 sichtbar ist, gibt nur die zentrale Düse 110 Brennstoff in die Verbrennungszone der Brennkammer aus. Der Betriebszustand 1 würde der geringsten Leistungseinstellung entsprechen.

[0016] Wenn es erwünscht ist, die Grösse der Leistungsabgabe durch die Turbine zu steigern, würden die Betreiber von dem Betriebszustand 1 zu einem Betriebszustand 2 (0C2) umschalten, der in der Mitte der Fig. 2 veranschaulicht ist. In dem Betriebszustand 2 liefern sowohl die zentrale Düse 110 als auch der zweite Teilsatz 112a, 112b, 112c der restlichen Brennstoffdüsen, Brennstoff in die Brennkammer hinein. Der Betriebszustand 2 würde einer mittleren Leistungseinstellung entsprechen.

[0017] Wenn es erwünscht ist, dass die Turbine noch grössere Leistungsmengen erzeugt, würden die Betreiber von dem Betriebszustand 2 zu einem Betriebszustand 3 (0C3) umschalten, der auf der rechten Seite der Fig. 2 veranschaulicht ist. Im Betriebszustand 3 geben alle der Brennstoffdüsen Brennstoff in die Brennkammer aus.

[0018] In allen Betriebszuständen wird Brennstoff auf eine im Wesentlichen symmetrische Weise in die Brennkammer geliefert. Zum Beispiel wird in dem Betriebszustand 1 der gesamte Brennstoff zu der Mitte der Brennkammer geliefert. Im Betriebszustand 2 wird Brennstoff zu der Mitte und zu den Randbereichen der Brennkammer geliefert, und der zweite Teilsatz 112a, 112b und 112c der Düsen stellt sicher, dass Brennstoff zu den Randbereichen der Brennkammer auf eine symmetrische Weise geliefert wird. Ferner wird in dem Betriebszustand 3, weil alle Düsen Brennstoff der Brennkammer zuführen, der Brennstoff auf eine symmetrische Weise geliefert.

[0019] Wenn Brennstoff nicht auf eine symmetrische Weise der Brennkammer zugeführt werden würde, würde dies wahrscheinlich zu einer unvollständigen Verbrennung und der Erzeugung unerwünschter und schädlicher Emissionen führen, und die gesamte Leistung der Turbine wäre vermindert. Ausserdem könnte dies auch die Anregung eines sehr hochfrequenten Geräusches im Bereich von 1–10 kHz hervorrufen.

[0020] Es besteht somit der Bedarf für eine Brennstoffdüsenanordnung, welche eine symmetrische Lieferung von Brennstoff ermöglicht, und wobei die Brennstoffdüsenanordnung in verschiedenen Leistungsstufen (Betriebszustände) betrieben werden kann, um die Erzeugung unerwünschter und möglicherweise schädlicher Geräusche, auch wenn unmittelbar benachbarte Brennstoffdüsen betrieben werden, zu vermeiden bzw. zu verhindern.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0021] Die Erfindung sieht eine Brennstoffdüsenanordnung gemäss Anspruch 1 vor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0022] <tb>Fig. 1<SEP>zeigt eine Darstellung, die, wie oben beschrieben, eine Brennstoffdüsenanordnung veranschaulicht, die mehrere Brennstoffdüsen enthält; <tb>Fig. 2<SEP>zeigt eine Darstellung, die, wie oben beschrieben, veranschaulicht, wie die Brennstoffdüsenanordnung nach Fig. 1 in drei verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden kann; <tb>Fig. 3<SEP>zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemässen Brennstoffdüsenanordnung, die einige Brennstoffdüsen enthält, die einen ersten und einen zweiten Brennstoffzuführkanal aufweisen; <tb>Fig. 4<SEP>zeigt eine Darstellung, die veranschaulicht, wie die Brennstoffdüsenanordnung nach Fig. 3 in wenigstens fünf verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden kann; <tb>Fig. 5<SEP>zeigt eine Darstellung, die eine Brennstoffdüsenanordnung veranschaulicht, in der jede der Brennstoffdüsen einen ersten und einen zweiten Brennstoffzuführkanal enthält; <tb>Fig. 6<SEP>zeigt eine Darstellung, die veranschaulicht, wie die Brennstoffdüsenanordnung nach Fig. 5 in zehn verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden kann; <tb>Fig. 7<SEP>zeigt eine Darstellung, die eine Brennstoffdüse mit einem Brennstoffzuführkanal veranschaulicht, die in einer Brennkammer verwendet werden kann; <tb>Fig. 8<SEP>zeigt eine Darstellung, die eine erste Ausführungsform einer Mehrzonenbrennstoffdüse veranschaulicht, die einen ersten und einen zweiten Brennstoffzuführkanal enthält; <tb>Fig. 9<SEP>zeigt eine Darstellung, die eine zweite Ausführungsform einer Mehrzonenbrennstoffdüse veranschaulicht, die einen ersten und einen zweiten Brennstoffzuführkanal aufweist; <tb>Fig. 10<SEP>zeigt eine Darstellung einer weiteren Brennstoffdüsenanordnung, die einige Brennstoffdüsen enthält, die einen ersten und zweiten Brennstoffzuführkanal aufweisen; und <tb>Fig. 11<SEP>zeigt eine Darstellung, die eine Brennkammerkappenanordnung veranschaulicht, in der jede der Brennstoffdüsen einen ersten und einen zweiten Brennstoffzuführkanal enthält.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0023] Fig. 3 veranschaulicht ein Beispiel einer Brennstoffdüsenanordnung für eine Turbine gemäss einer Ausführung der Erfindung. Die in Fig. 3 veranschaulichte Brennstoffdüsenanordnung ermöglicht die symmetrische Einspritzung von Brennstoff in die durch die Brennkammer strömende Luft, und diese Ausführungsform hilft ferner, die Erzeugung unerwünschter Geräusche zu reduzieren oder zu eliminieren.

[0024] In der in Fig. 3 veranschaulichten Ausführungsform enthält die zentrale Brennstoffdüse 110 zwei unterschiedliche Brennstoffzuführkanäle. Ein erster oder innerer Brennstoffzuführkanal 110 (i) liefert Brennstoff zu der Mitte eines stromabwärtigen Endes der zentralen Brennstoffdüse 110. Ausserdem liefert ein zweiter oder äusserer Brennstoffzuführkanal 110(o) Brennstoff durch einen äusseren Kreisring an dem stromabwärtigen Ende der Brennstoffdüse hindurch. Der erste und der zweite Brennstoffzuführkanal lassen sich unabhängig voneinander steuern, so dass Brennstoff nur durch den inneren Brennstoffzuführkanal 110(i) oder nur durch die äusseren Brennstoffzuführkanäle 110(o) oder sowohl durch den inneren 110 (i) als auch durch die äusseren 110(o) Brennstoffzuführkanäle gleichzeitig geliefert werden kann.

[0025] Fig. 7 veranschaulicht eine Brennstoffdüse, die in einer der die Erfindung enthaltenden Brennstoffdüsenanordnungen verwendet werden könnte. Wie in Fig. 7 veranschaulicht, enthält die Brennstoffdüse 200 einen Brennstoffzuführkanal 210, der zu mehreren einzelnen Brennstoffleitungen 220 führt. An jeder der einzelnen Brennstoffleitungen 220 sind Brennstoffeinlässe 222 angeordnet.

[0026] Brennstoff tritt in die Düse 200 durch den Brennstoffkanal 210 ein. Der Brennstoff strömt anschliessend zu den Einlässen 222 jeder der einzelnen Brennstoffleitungen 220. Der Brennstoff wird anschliessend mit Luft vermischt, die von dem Leitungseinlass 220 strömen gelassen wird, und das Luft-Brennstoff-Gemisch strömt durch die Brennstoffleitung 220 zu den stromabwärtigen Enden 224 der einzelnen Brennstoffleitungen 220. Das Brennstoff-Luft-Gemisch tritt dann aus den Brennstoffleitungen 220 heraus in den (nicht veranschaulichten) Verbrennungsraum der Brennkammer hinein. Diese Strömung des Brennstoffs ist durch die mit dem Bezugszeichen 250 gekennzeichneten Pfeile veranschaulicht.

[0027] Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform zur Veranschaulichung, wie eine Brennstoffdüse, wie sie in Fig. 7 veranschaulicht ist, modifiziert werden kann, um einen ersten und einen zweiten einzeln steuerbaren Brennstoffzuführkanal zu enthalten. Der erste Brennstoffzuführkanal ist ein innerer Brennstoffzuführkanal, der Brennstoff ermöglicht, von dem zentralen Abschnitt des stromabwärtigen Endes der Düse geliefert zu werden. Der zweite Brennstoffzuführkanal ist ein äusserer Brennstoffzuführkanal, der Brennstoff ermöglicht, nur von dem äusseren kreisringförmigen Abschnitt des stromabwärtigen Endes der Düse aus geliefert zu werden.

[0028] Wie in Fig. 8 veranschaulicht, enthält die Düse eine Barrierestruktur, die einen ersten Barriereabschnitt 230 enthält, der im Wesentlichen zylindrisch ist und sich abwärts durch den Brennstoffzuführkanal der Brennstoffdüse hindurch erstreckt. Der erste Barriereabschnitt 230 führt zu einem sich radial erstreckenden Abschnitt 232, der sich nach aussen durch den Bereich hindurch erstreckt, in dem die Brennstoffleitungen angeordnet sind. Ein dritter Barriereabschnitt 234 erstreckt sich von dem sich radial erstreckenden Abschnitt 232 aus nach hinten. Die Barriereelemente 230, 232, 234 trennen den durch die Brennstoffdüse hindurchtretenden Brennstoff in einen ersten Brennstoffzuführkanal und einen zweiten Brennstoffzuführkanal auf.

[0029] Brennstoff, der durch einen ersten Brennstoffzuführkanal strömt, passiert entlang eines kreisringförmigen Durchgangs 231, der zwischen einer Aussenfläche des ersten Barriereabschnitts 230 und einer Innenfläche der Aussenseite der Brennstoffdüse angeordnet ist. Dieser Brennstoff wird zu den Brennstoffleitungen 228 geführt, die in der Mitte der Brennstoffdüse angeordnet sind. Die mit dem Bezugszeichen 252 gekennzeichneten Pfeile zeigen, wie Brennstoff durch den ersten Brennstoffzuführkanal strömen würde, um in die Brennstoffleitungen 228 einzutreten, die in der Mitte der Brennstoffdüse angeordnet sind.

[0030] Brennstoff, der durch einen zweiten Brennstoffzuführkanal strömt, tritt zunächst durch die Mitte des ersten Barriereabschnitts 230 hindurch. Dieser Brennstoff strömt anschliessend zu der Endfläche der Brennstoffdüse hin, und der Brennstoff strömt radial nach aussen um das Ende der sich radial erstreckenden Barriere 232 herum. Der Brennstoff würde anschliessend in die Brennstoffleitungen 225 eintreten, die an dem äusseren kreisringförmigen Abschnitt der Brennstoffdüse angeordnet sind. Die Brennstoffströmung durch den zweiten Brennstoffzuführkanal ist durch die mit dem Bezugszeichen 254 gekennzeichneten Pfeile veranschaulicht.

[0031] Wie oben erwähnt, sind die Brennstoffströmungen durch den ersten und den zweiten Brennstoffzuführkanal unabhängig voneinander steuerbar. Infolgedessen können Betreiber wählen, Brennstoff nur zu dem ersten Brennstoffzuführkanal 231 zu schicken, was dazu führen würde, dass Brennstoff nur durch die Brennstoffleitungen 228 hindurch zugeführt würde, die in der Mitte des stromabwärtigen Endes der Brennstoffdüse angeordnet sind. Alternativ können Betreiber veranlassen, dass Brennstoff nur durch den zweiten Brennstoffzuführkanal strömt, so dass Brennstoff nur durch die Brennstoffleitungen 226 zugeführt wird, die an dem äusseren kreisringförmigen Abschnitt der Brennstoffdüse angeordnet sind. Betreiber können ferner Brennstoff veranlassen, durch sowohl den ersten als auch den zweiten Brennstoffzuführkanal zu strömen, so dass Brennstoff durch all die Brennstoffleitungen an dem stromabwärtigen Ende der Brennstoffdüse zugeführt wird.

[0032] Fig. 9 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform einer Brennstoffdüse, die ebenfalls einen ersten und einen zweiten Brennstoffzuführkanal enthält. In dieser Ausführungsform enthält die Barrierestruktur noch einen ersten zylindrischen Barriereabschnitt 230, der sich entlang der Längserstreckung der Brennstoffdüse abwärts erstreckt. Jedoch ist dieser Barriereabschnitt mit einem anders konfigurierten, sich radial erstreckenden Abschnitt 232 und einem sich vorwärts erstreckenden Abschnitt 235 verbunden, der zu dem stromabwärtigen Ende der Brennstoffdüse führt.

[0033] In der in Fig. 9 veranschaulichten Ausführungsform wird Brennstoff, der durch die Mitte des ersten Barriereabschnitts 230 strömt, zu den Brennstoffleitungen 228 geführt, die sich in dem mittleren Abschnitt des stromabwärtigen Endes der Brennstoffdüse befinden, wie dies durch die mit dem Bezugszeichen 258 gekennzeichneten Pfeile angezeigt ist. Brennstoff, der an der Aussenseite des ersten Barriereabschnitts 230 vorbeiströmt, wird zu den äusseren Brennstoffleitungen 226 geführt, die sich in dem äusseren kreisringförmigen Abschnitt der Brennstoffdüse befinden, wie dies mit den durch das Bezugszeichen 256 gekennzeichneten Pfeilen veranschaulicht ist.

[0034] Die in den Fig. 7 , 8 und 9 veranschaulichten Brennstoffdüsen sollen nur veranschaulichend sein.

[0035] Einzelne Brennstoffdüsen, die einen ersten und einen zweiten Brennstoffzuführkanal aufweisen, könnten auf vielfältige unterschiedliche Arten konfiguriert sein.

[0036] Ausserdem wird in den Ausführungsformen, die in den Fig. 8 und 9 veranschaulicht sind, der Brennstoff in den ersten und den zweiten Brennstoffzuführkanal aufgeteilt. In alternativen Ausführungsformen könnte eine Brennstoffdüse mehr als zwei unterschiedliche Brennstoffzuführkanäle enthalten.

[0037] Zurückkehrend zu einer Beschreibung der in Fig. 3 veranschaulichten Brennstoffdüsenanordnung wird nun eine Erläuterung davon gegeben, wie diese Brennstoffdüsenanordnung verwendet werden kann, um variierende Brennstoffmengen einer Brennkammer zuzuführen und dabei gleichzeitig die Erzeugung unerwünschter Geräusche zu reduzieren oder zu eliminieren.

[0038] Wie in Fig. 3 veranschaulicht, enthält die Brennstoffdüsenanordnung eine zentrale Düse 110, die einen inneren Brennstoffzuführkanal 110(i) und einen äusseren Brennstoffzuführkanal 110(o) enthält. Ausserdem enthält ein erster Teilsatz 114a, 114b und 114c der restlichen Brennstoffdüsen ebenfalls einen inneren Brennstoffzuführkanal und einen äusseren Brennstoffzuführkanal. Ein zweiter Teilsatz 112a, 112b und 112c der Düsen enthält nur einen einzigen Brennstoffzuführkanal.

[0039] Fig. 4 veranschaulicht, wie eine Brennkammerstoffdüsenanordnung, wie sie in Fig. 3 veranschaulicht ist, in wenigstens fünf unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben werden kann, um variierende Brennstoffmengen der Brennkammer zuzuführen. Die variierenden Brennstoffmengen, die der Brennkammer in den fünf verschiedenen Betriebszuständen zugeführt werden, entsprechen den fünf unterschiedlichen Leistungseinstellungen für die Brennkammer.

[0040] Im Betriebszustand (OC1), der auf der linken Seite der Fig. 4 zu sehen ist, liefert nur der innere Brennstoffzuführkanal 110(i) der zentralen Brennstoffdüse 110 Brennstoff zu der Brennkammer. Dies würde der niedrigsten Leistungseinstellung entsprechen.

[0041] Betreiber könnten anschliessend von dem Betriebszustand 1 zu dem Betriebszustand 2 (OC2) umschalten, der rechts von dem Betriebszustand 1 veranschaulicht ist. Im Betriebszustand 2 wird Brennstoff der Brennkammer durch den inneren Brennstoffzuführkanal 110(i) der zentralen Brennstoffdüse 110 und auch durch die drei Düsen zugeführt, die dem zweiten Teilsatz 112a, 112b, 112c der Brennstoffdüsen entsprechen. Diese würde einer höheren Leistungseinstellung entsprechen.

[0042] Im Betriebszustand 2 wird Brennstoff der Brennkammer auf eine symmetrische Weise zugeführt, die hilft, eine gleichmässige und vollständige Verbrennung des Luft-Brennstoff -Gemisches zu unterstützen. Ausserdem gibt es, weil nur der innere Brennstoffzuführkanal 110(i) der zentralen Brennstoffdüse 110 Brennstoff zuführt, eine physikalische Trennung zwischen den die Düsen verlassenden Brennstoffströmungen. Diese physikalische Trennung der Brennstoffströmungen hilft, die Erzeugung unerwünschter Geräusche zu reduzieren oder zu eliminieren.

[0043] Es wäre ferner wünschenswert, dass der Durchsatz des Brennstoffs, der aus der zentralen Düse 110 austritt, ungefähr gleich dem Durchsatz des Brennstoffs ist, der jede aus dem zweiten Teilsatz von Düsen 112a, 112b, 112c verlässt. Ein Betrieb auf eine derartige Weise, dass jede Düse ungefähr 25% der gesamten Brennstoffzufuhr zu der Luftströmung beiträgt, hilft, die Brennstoffdruckverhältnisse zwischen der zentralen Düse und jeder Düse aus dem zweiten Teilsatz von Düsen 112a, 112b, 112c aufrechtzuerhalten, die zu einer Entkopplung der Flammenwechselwirkung zwischen benachbarten Düsen führen.

[0044] Um sicherzustellen, dass der Durchsatz des Brennstoffs, der aus dem inneren Brennstoffzuführkanal 110(i) der zentralen Brennstoffdüse 110 austritt, ungefähr gleich dem Durchsatz des Brennstoffs ist, der aus den anderen Düsen austritt, ist es erforderlich, den Brennstoff zu dem inneren Brennstoffzuführkanal 110 (i) der zentralen Düse 110 mit einem höheren Brennstoffdruck zuzuführen. Ferner hilft, wie oben beschrieben, ein Betrieb der zentralen Brennstoffdüse mit einer anderen (in diesem Fall höheren) Druckdifferenz als die benachbarten Brennstoffdüsen 112a, 112b, 112c auch, die Erzeugung unerwünschter Geräusche zu reduzieren oder zu eliminieren. Somit kommt es zu einer Minderung eines unerwünschten Geräusches sowohl aufgrund einer physikalischen Trennung zwischen den Brennstoffströmungen aus benachbarten Düsen als auch aufgrund der Tatsache, dass benachbarte Düsen bei unterschiedlichen Druckdifferenzen betrieben werden.

[0045] Im Betriebszustand 3 (OC3), der in der Mitte der Fig. 4 zu sehen ist, wird Brennstoff der Brennkammer durch den inneren Brennstoffzuführkanal 110(i) der zentralen Brennstoffdüse 110 hindurch, durch jede der Brennstoffdüsen in dem zweiten Teilsatz 112a, 112b, 112c hindurch und durch die inneren Brennstoffzuführkanäle des ersten Teilsatzes 114a, 114b und 114c der Düsen hindurch geliefert. Dies würde einer mittleren Leistungseinstellung entsprechen.

[0046] Hier gibt es, weil Brennstoff nur von dem inneren Brennstoffzuführkanal 110(i) der zentralen Düse 110 aus sowie von den inneren Brennstoffzuführkanälen 114a(i), 114b(i) und 114c(i) des ersten Teilsatzes der Düsen ausströmt, wiederum eine physikalische Trennung zwischen den Brennstoffströmungen, die aus jeder der Düsen austreten. Dies hilft, die Erzeugung unerwünschter Geräusche zu reduzieren oder zu eliminieren.

[0047] Ausserdem ist es erwünscht, dass der Durchsatz des Brennstoffs aus jeder der Düsen ungefähr gleich ist. Dies bedeutet, dass Brennstoff den mittleren Brennstoffzuführkanälen 110(i), 114a(i), 114b(i), 114c(i) unter einem höheren Druck zugeführt werden muss als derjenige des Brennstoffs, der dem zweiten Teilsatz 112a, 112b, 112c der Düsen zugeführt wird. Ferner hilft die Variation der Druckdifferenzen zwischen benachbarten Brennstoffdüsen auch, die Erzeugung unerwünschter Geräusche zu reduzieren oder zu eliminieren.

[0048] Im Betriebszustand 4 (OC4) wird Brennstoff in die Brennkammer hinein durch dieselben Düsen und Brennstoffzuführkanäle wie in dem Betriebszustand 3 sowie durch den äusseren Brennstoffzuführkanal 110(o) der zentralen Brennstoffdüse geliefert.

[0049] Im Betriebszustand 5 (OC5), der auf der rechten Seite der Fig. 4 zu sehen ist, wird Brennstoff durch alle Brennstoffzuführkanäle aller Düsen zugeführt. Dies würde der höchsten Leistungseinstellung entsprechen.

[0050] Eine Brennstoffdüsenanordnung, wie sie in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht ist, ermöglicht eine feinere Steuerung der Leistungseinstellungen der Turbine. Ausserdem hilft der wahlweise Einsatz der inneren und äusseren Brennstoffzuführkanäle bestimmter Brennstoffdüsen, die Erzeugung unerwünschter Geräusche zu reduzieren oder zu eliminieren.

[0051] Fig. 5 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer Brennstoffdüsenanordnung. In der in Fig. 5 veranschaulichten Ausführungsform enthalten alle sieben Brennstoffdüsen einen inneren Brennstoffzuführkanal und einen äusseren Brennstoffzuführkanal. Durch Bereitstellung einer Brennstoffdüsenanordnung, bei der alle sieben Düsen einen ersten und einen zweiten Brennstoffzuführkanal enthalten, die individuell steuerbar sind, kann ein noch feineres Mass an Steuerung bzw. Kontrolle über die Leitungseinstellungen ermöglicht werden.

[0052] Fig. 6 veranschaulicht, wie die Brennstoffdüsenanordnung nach Fig. 5 in zehn verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden kann, die jeweils eine andere Leistungseinstellung für die Turbine ergeben können. Die schattierten Abschnitte der inneren und äusseren Brennstoffdüsen veranschaulichen, wie der wahlweise Einsatz lediglich des inneren oder des äusseren Brennstoffzuführkanals oder beider Brennstoffzuführkanäle helfen kann, eine physikalische Trennung der Brennstoffströme zu erzielen. Dies kann ferner helfen, unterschiedliche Druckdifferenzen zwischen benachbarten Brennstoffdüsen aufrechtzuerhalten. Beim Fortschreiten vom Betriebszustand 1 zum Betriebszustand 10 würden immer grössere Brennstoffmengen zu der Luftströmung geliefert, um immer grössere Leistungsmengen zu erzielen.

[0053] In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind sieben Brennstoffdüsen an einer Brennkammerkappe montiert. In modifizierten Ausführungsformen könnte eine andere Anzahl von Brennstoffdüsen an einer Brennstoffdüsenanordnung montiert sein. Zum Beispiel könnte eine Brennstoffdüsenanordnung vier Düsen enthalten, wobei eine Düse in der Mitte angeordnet ist und die restlichen drei Düsen symmetrisch rings um die zentrale Düse angeordnet sind. Ausserdem könnten die Brennstoffdüsen anders positioniert sein, so dass keine Brennstoffdüse in der Mitte angeordnet ist, aber so, dass die Brennstoffdüsen weiterhin auf symmetrische Weise um die Brennkammerkappe herum angeordnet sind. Es kann sowohl eine kleinere Anzahl als auch eine grössere Anzahl an Brennstoffdüsen als diejenigen, die hier veranschaulicht und beschrieben sind, in einer die Erfindung enthaltenden Brennstoffdüsenanordnung verwendet werden.

[0054] In ähnlicher Weise könnten die einzelnen Brennstoffdüsen einer Brennstoffdüsenanordnung, die die Erfindung enthält, zwei unabhängig voneinander steuerbare Brennstoffzuführkanäle enthalten, oder sie könnten eine grössere Anzahl von unabhängig voneinander steuerbaren Brennstoffzuführkanäle enthalten. Wie auch in Bezug auf die Fig. 3 und 4 erläutert, können einige der einzelnen Brennstoffdüsen einer Brennstoffdüsenanordnung nur einen einzigen Brennstoffzuführkanal enthalten, während andere Düsen innerhalb derselben Brennstoffdüsenanordnung zwei oder mehrere individuell steuerbare Brennstoffzuführkanäle enthalten können.

[0055] Fig. 9 und 10 veranschaulichen Brennstoffdüsenanordnungen, bei denen die mittlere Brennstoffdüse kreisförmig ist und bei denen die Brennstoffdüsen, die die zentrale Brennstoffdüse umgeben, ähnlich wie gekürzte bzw. angeschnittene Tortenstücke geformt sind.

[0056] In der in Fig. 10 veranschaulichten Ausführungsform enthält die zentrale Brennstoffdüse 110 einen inneren Brennstoffzuführkanal 110(i) und einen äusseren Brennstoffzuführkanal 110(o). Der innere und der äussere Brennstoffzuführkanal lassen sich unabhängig voneinander steuern.

[0057] Ausserdem enthält ein erster Teilsatz 114a, 114b und 114c der restlichen Brennstoffdüsen ebenfalls innere Brennstoffzuführkanäle und äussere Brennstoffkreisläufe. Ein zweiter Teilsatz 112a, 112b und 112c der Düsen enthält lediglich einen einzigen Brennstoffzuführkanal. Wie in Fig. 10 veranschaulicht, weisen sowohl der erste Teilsatz als auch der zweite Teilsatz der Brennstoffdüsen eine tortenstückförmige Gestalt auf, wobei das Spitzenende des Tortenstücks weggeschnitten ist, um die zentrale Brennstoffdüse 110 aufzunehmen. Diese Ausführungsform ist der in Fig. 3 veranschaulichten ziemlich ähnlich, ausser dass die Brennstoffdüsen, die die zentrale Brennstoffdüse umgeben, eine andere Gestalt aufweisen.

[0058] Fig. 11 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform, die der in Fig. 10 veranschaulichten ähnlich ist. In dieser Ausführungsform weisen jedoch all die Brennstoffdüsen, die die zentrale Brennstoffdüse umgeben, sowohl einen inneren als auch einen äusseren Brennstoffzuführkanal auf, die unabhängig voneinander steuerbar sind. Somit ist diese Ausführungsform zu der in Fig. 5 veranschaulichten ähnlich, ausser dass die Brennstoffdüsen, die die zentrale Brennstoffdüse umgeben, eine andere Gestalt aufweisen.

[0059] Die Betriebs- bzw. Funktionsweise der in den Fig. 10 und 11 veranschaulichten Ausführungsformen würde im Wesentlichen ähnlich sein, wie vorstehend für die in den Fig. 3 bzw. 5 veranschaulichten Ausführungsformen beschrieben.

Bezugszeichenliste

[0060] <tb>100<SEP>Brennstoffdüsenanordnung <tb>102<SEP>Brennkammerkappe <tb>110<SEP>zentrale Brennstoffdüse <tb>110(i)<SEP>innerer Brennstoffzuführkanal <tb>110(o)<SEP>äusserer Brennstoffzuführkanal <tb>112a, 112b, 112c<SEP>zweiter Teilsatz von Brennstoffdüsen <tb>114a, 114b, 114c<SEP>erster Teilsatz von Brennstoffdüsen <tb>114a(i), 114a(o)<SEP>innere und äussere Brennstoffzuführkanäle <tb>114b(i), 144b(o)<SEP>innere und äussere Brennstoffzuführkanäle <tb>114c(i), 114c(o)<SEP>innere und äussere Brennstoffzuführkanäle <tb>200<SEP>Düse <tb>210<SEP>Brennstoffkanal <tb>220, 226, 228<SEP>Brennstoffleitungen <tb>222<SEP>Einlässe <tb>230<SEP>erster Barriereabschnitt <tb>231<SEP>ringförmiger Durchgang <tb>232<SEP>sich radial erstreckender Abschnitt <tb>234<SEP>dritter Barriereabschnitt <tb>235<SEP>sich nach vorne erstreckender Abschnitt <tb>250, 252, 254, 256, 258<SEP>Pfeile, die den Brennstofffluss veranschaulichen

Claims (10)

1. Brennstoffdüsenanordnung (100) für eine Turbine, die aufweist: eine Brennkammerkappe (102); mehrere Brennstoffdüsen (110, 112a–c, 114a–c), die an der Brennkammerkappe (102) montiert sind, wobei wenigstens eine (110, 114a–c) der mehreren Brennstoffdüsen als Mehrzonenbrennstoffdüse ausgeführt ist und einen ersten Brennstoffzuführkanal (110(i), 114a(i), 114b(i), 114c(i)), der Brennstoff nur zu einem zentralen Abschnitt eines stromabwärtigen Endes der Mehrzonenbrennstoffdüse (110, 114a–c) liefert, und einen zweiten Brennstoffzuführkanal (110(o), 114a(o), 114b(o), 114c(o)) enthält, der Brennstoff nur zu einem äusseren ringförmigen Abschnitt des stromabwärtigen Endes der Brennstoffdüse (110, 114a–c) liefert, und geeignete Steuermittel, um eine erste Brennstoffströmung durch den ersten Brennstoffzuführkanal (110 (i), 114a(i), 114b(i), 114c(i)) und eine zweite Brennstoffströmung durch den zweiten Brennstoffzuführkanal (110(o), 114a(o), 114b(o), 114c(o)) unabhängig voneinander zu steuern.

2. Brennstoffdüsenanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Mehrzonenbrennstoffdüse (110) in der Mitte der Brennstoffkappe (102) angeordnet ist.

3. Brennstoffdüsenanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei mehrere der Brennstoffdüsen (110, 114a–c) als Mehrzonenbrennstoffdüsen ausgeführt sind.

4. Brennstoffdüsenanordnung (100) nach Anspruch 3, wobei eine erste Mehrzonenbrennstoffdüse (110) in der Mitte der Brennkammerkappe (102) angeordnet ist und wobei ein erster Teilsatz (114a–c) von Brennstoffdüsen ausschliesslich die weiteren Mehrzonenbrennstoffdüsen enthält, wobei der erste Teilsatz (114a–c) symmetrisch um die zentrale Mehrzonenbrennstoffdüse (110) herum angeordnet ist und wobei ein zweiter Teilsatz (112a–c) der restlichen Brennstoffdüsen nur je einen einzigen Brennstoffzuführkanal aufweist, wobei der zweite Teilsatz (112a–c) ebenfalls symmetrisch rings um die zentrale Mehrzonenbrennstoffdüse (110) angeordnet ist.

5. Brennstoffdüsenanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei alle Brennstoffdüsen (110, 112a–c, 114a–c) als Mehrzonenbrennstoffdüsen ausgeführt sind.

6. Brennstoffdüsenanordnung (100) nach Anspruch 4, wobei die mehreren Brennstoffdüsen (110, 112a–c, 114a–c) derart angeordnet und steuerbar sind, dass sie in einem ersten Betriebszustand betrieben werden können, in dem nur der erste Brennstoffzuführkanal (110(i)) der zentralen Mehrzonenbrennstoffdüse (110) Brennstoff liefert.

7. Brennstoffdüsenanordnung (100) nach Anspruch 4, wobei die mehreren Brennstoffdüsen (110, 112a–c, 114a–c) derart angeordnet und steuerbar sind, dass sie in einem zweiten Betriebszustand betrieben werden können, in dem nur der erste Brennstoffzuführkanal (110(i)) der zentralen Mehrzonenbrennstoffdüse (110) und der zweite Teilsatz (112a–c) der Brennstoffdüsen Brennstoff liefern.

8. Brennstoffdüsenanordnung (100) nach Anspruch 4, wobei die mehreren Brennstoffdüsen (110, 112a–c, 114a–c) derart angeordnet und steuerbar sind, dass sie in einem dritten Betriebszustand betrieben werden können, in dem nur der erste Brennstoffzuführkanal (110 (i)) der zentralen Mehrzonenbrennstoffdüse (110) und die ersten Brennstoffzuführkanäle (114a(i), 114b(i), 114c(i)) des ersten Teilsatzes (114a–c) der Mehrzonenbrennstoffdüsen Brennstoff liefern.

9. Brennstoffdüsenanordnung (100) nach Anspruch 4, wobei die mehreren Brennstoffdüsen (110, 112a–c, 114a–c) derart angeordnet und steuerbar sind, dass sie in einem weiteren Betriebszustand betrieben werden können, in dem nur der erste Brennstoffzuführkanal (110(i)) der zentralen Mehrzonenbrennstoffdüse, die ersten Brennstoffzuführkanäle (114a(i), 114b(i), 114c(i)) des ersten Teilsatzes (114a–c) der Mehrzonenbrennstoffdüsen und der zweite Teilsatz (112a–c) der Brennstoffdüsen Brennstoff liefern.

10. Brennstoffdüsenanordnung (100) nach Anspruch 4, wobei die mehreren Brennstoffdüsen (110, 112a–c, 114a–c) derart angeordnet und steuerbar sind, dass sie in einem vierten Betriebszustand betrieben werden können, in dem nur der erste (110(i)) und der zweite Brennstoffzuführkanal (110(o)) der zentralen Mehrzonenbrennstoffdüse (110), die ersten Brennstoffzuführkanäle (114a(i), 114b(i), 114c(i)) des ersten Teilsatzes (114a–c) von Mehrzonenbrennstoffdüsen und der zweite Teilsatz (12a–c) von Brennstoffdüsen Brennstoff liefern.