CH707760A2

CH707760A2 - Gasturbine mit einer stromabwärtigen Brennstoff- und Luftinjektion.

Info

Publication number: CH707760A2
Application number: CH00393/14A
Authority: CH
Inventors: Lewis Berkley Davis Jr; Krishna Kumar Venkataraman; Kaitlin Marie Graham
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2014-09-15
Also published as: DE102014103020A1; CN203907674U; US9435541B2; US20140260262A1; JP2014181898A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine, die enthält: eine mit einer Turbine (13) gekoppelte Brennkammer (12), die miteinander einen inneren Strömungsweg definieren, wobei sich der innere Strömungsweg an einer Längsachse von einem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem, das ein vorderes Ende definiert, durch eine Verbindungsstelle, an der die Brennkammer mit der Turbine verbunden ist, und durch eine Reihe von Statorschaufeln in der Turbine, die ein hinteres Ende definiert, nach hinten erstreckt; und ein stromabwärtiges Injektionssystem, das zwei Injektionsstufen, eine erste Stufe (41) und eine zweite Stufe (42) enthält, die entlang der Längsachse des inneren Strömungswegs axial voneinander beabstandet sind. Die erste Stufe (41) und die zweite Stufe (42) enthalten jeweils mehrere Injektoren, die zur Injektion eines Luft- und Brennstoffgemisches in den inneren Strömungsweg konfiguriert sind.

Description

Hintergrund zu der Erfindung

[0001] Diese vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verbrennungssysteme in Verbrennungs- oder Gasturbinenmaschinen bzw. -anlagen (im Folgenden «Gasturbinen»). Speziell, aber nicht beschränkend, beschreibt die vorliegende Anmeldung neue Verfahren, Systeme und Vorrichtungen, welche die stromabwärtige oder späte Injektion von Luft und Brennstoff in die Verbrennungssysteme von Gasturbinen betreffen.

[0002] Dadurch, dass neue Technologien Vergrösserungen der Maschinen- bzw. Anlagengrösse und höhere Betriebstemperaturen ermöglichen, hat sich die Effizienz von Gasturbinen in den vergangenen Jahrzehnten bedeutend verbessert. Eine technische Grundlage, die höhere Betriebstemperaturen zuliess, war die Einführung von neuer und innovativer Wärmeübertragungstechnologie zur Kühlung von Bauteilen innerhalb des Heissgaswegs. Ausserdem haben neue Werkstoffe Belastbarkeiten bei höheren Temperaturen innerhalb der Brennkammer ermöglicht.

[0003] Innerhalb dieses zeitlichen Rahmens wurden aber neue Standards erlassen, welche die zulässigen Emissionspegel für gewisse Schadstoffe während des Turbinenbetriebs beschränken. Speziell wurden die Emissionspegel von NOx/ CO und unverbrannten HC strenger reguliert, die alle gegenüber der Betriebstemperatur der Maschine empfindlich sind. Von diesen ist der Emissionspegel von NOxhinsichtlich höherer Emissionspegel bei höheren Turbinenzündtemperaturen besonders empfindlich und wurde daher eine bedeutende Begrenzung dafür, wie weit die Temperaturen gesteigert werden könnten. Weil höhere Betriebstemperaturen sich mit effizienteren Turbinen decken, behinderte dies Fortschritte bei dem Turbinenwirkungsgrad. Kurz, der Brennkammerbetrieb wurde eine bedeutende Begrenzung in Bezug auf den Betriebswirkungsgrad von Gasturbinen.

[0004] Infolgedessen wurde eines der Hauptziele fortschrittlicher Brennkammergestaltungstechnologien die Entwicklung von Konfigurationen, die durch die Brennkammer hervorgerufene Emissionspegel bei diesen höheren Betriebstemperaturen reduzierten, so dass die Turbine bei höheren Temperaturen gezündet werden konnte, und daher einen Zyklus mit höherem Druckverhältnis und einen höheren Turbinenwirkungsgrad haben. Wie zu erkennen ist, wären dementsprechend neue Verbrennungssystemgestaltungen, die den Ausstoss von Schadstoffen, speziell von NOx, reduzieren und höhere Zündtemperaturen ermöglichen, kommerziell sehr gefragt.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0005] Die vorliegende Erfindung beschreibt somit eine Gasturbine, die beinhaltet: eine Brennkammer, die mit einer Turbine gekoppelt ist, die miteinander einen inneren Strömungsweg definieren, wobei der innere Strömungsweg um eine Längsachse von einem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem, das ein vorderes Ende definiert, durch eine Verbindungsstelle, an der die Brennkammer mit der Turbine verbunden ist, und durch eine Reihe von Statorschaufeln in der Turbine, die ein hinteres Ende definiert, nach hinten verläuft, und ein stromabwärtiges Injektionssystem, das zwei Injektionsstufen enthält, eine erste Stufe und eine zweite Stufe, die entlang der Längsachse des inneren Strömungswegs axial voneinander beabstandet sind. Die erste Stufe und die zweite Stufe beinhalten jeweils mehrere Injektoren, die zur Injektion eines Gemisches von Luft und Brennstoff in den inneren Strömungsweg konfiguriert sind.

[0006] Eine erste Verweilzeit einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine kann eine Zeitdauer während einer vorbestimmten Gasturbinenbetriebsart umfassen, die die Verbrennungsströmung benötigt, um an dem inneren Strömungsweg entlang von einer ersten Position, die an dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem definiert ist, zu einer zweiten Position, die an der ersten Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems definiert ist, zu strömen; wobei die erste Stufe in einer Entfernung hinter dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem positioniert sein kann, die dem entspricht, dass die erste Verweilzeit wenigstens 6 Millisekunden beträgt.

[0007] Eine zweite Verweilzeit einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine kann eine Zeitdauer während der vorbestimmten Gasturbinenbetriebsart umfassen, die die Verbrennungsströmung benötigt, um an dem inneren Strömungsweg entlang von einer ersten Position, die an der zweiten Stufe definiert ist, zu einer zweiten Position, die an einer Brennkammerendebene definiert ist, zu strömen; wobei die zweite Stufe in einer Entfernung vor der Brennkammerendebene positioniert ist, welche dem entspricht, dass die zweite Verweilzeit weniger als 2 Millisekunden beträgt.

[0008] Die zweite Stufe einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine kann hinter der ersten Stufe positioniert sein; wobei der innere Strömungsweg unmittelbar hinter dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem eine primäre Verbrennungszone haben kann, die von einer umgebenden Auskleidung definiert wird, und der innere Strömungsweg unmittelbar hinter der Auskleidung eine Übergangszone haben kann, die von einem umgebenden Übergangsstück definiert wird; und wobei das Übergangsstück konfiguriert sein kann, um die primäre Verbrennungszone in Strömungsverbindung mit der Turbine zu koppeln, wobei das Übergangsstück eine Form hat, die von einer zylindrischen Querschnittsform der Auskleidung in eine ringförmige Querschnittsform der Turbine übergeht.

[0009] Das stromabwärtige Injektionssystem einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine kann drei Injektionsstufen, die erste Stufe, die zweite Stufe und eine dritte Stufe, beinhalten, wobei die dritte Stufe hinter der zweiten Stufe positioniert ist.

[0010] Die dritte Stufe einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine kann an der Reihe von Statorschaufeln in der Turbine positioniert sein, und die dritte Stufe kann mehrere Injektoren beinhalten, die zur Injektion eines Luft- und Brennstoffgemischs in den inneren Strömungsweg konfiguriert sind.

[0011] Die Injektoren der dritten Stufe einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine können in die Reihen von Statorschaufeln integriert sein.

[0012] Die Gasturbinenbetriebsart einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine kann eine Grundlastbetriebsart aufweisen.

[0013] Allgemein kann die Berechnung der Verweilzeit basieren auf: a) einem Volumen durch einen relevanten Teil des inneren Strömungswegs der Brennkammer und b) einem Gesamtvolumenstrom durch den relevanten Teil des inneren Strömungswegs bei der Gasturbinenbetriebsart.

[0014] Die erste Stufe einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine kann hinter einem axialen Mittelpunkt positioniert sein, der an dem inneren Strömungsweg entlang zwischen dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem und der Verbindungsstelle definiert ist; und die zweite Stufe kann nach hinten von der ersten Stufe beabstandet sein.

[0015] Der innere Strömungsweg kann unmittelbar hinter dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem eine primäre Verbrennungszone haben, die von einer umgebenden Auskleidung definiert ist, und der innere Strömungsweg kann unmittelbar hinter der Auskleidung eine Übergangszone haben, die von einem umgebenden Übergangsstück definiert ist; wobei das Übergangsstück konfiguriert sein kann, um die primäre Verbrennungszone in Strömungsverbindung mit der Turbine zu koppeln, wobei das Übergangsstück eine Form haben kann, die von einer zylindrischen Querschnittsform der Auskleidung in eine ringförmige Querschnittsform der Turbine übergeht; wobei das Übergangsstück einen hinteren Rahmen aufweisen kann, der die Verbindungsstelle zwischen der Brennkammer und der Turbine bildet; und wobei die erste Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems innerhalb der Übergangszone positioniert sein kann und die zweite Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems nach hinten von der ersten Stufe beabstandet ist.

[0016] Die Injektoren der ersten Stufe einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine können in Umfangsrichtung an einer gemeinsamen Injektionsebene gruppiert sein, wobei die gemeinsame Injektionsebene in etwa senkrecht relativ zu der Längsachse des inneren Strömungswegs ausgerichtet sein kann; und die Injektoren der zweiten Stufe können in Umfangsrichtung an einer gemeinsamen Injektionsebene gruppiert sein, wobei die gemeinsame Injektionsebene in etwa senkrecht relativ zu der Längsachse des inneren Strömungswegs ausgerichtet ist.

[0017] Die gemeinsame Injektionsebene der zweiten Stufe einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine kann an dem hinteren Rahmen positioniert sein, wobei die Injektoren der zweiten Stufe in den hinteren Rahmen integriert sind.

[0018] Die gemeinsame Injektionsebene der ersten Stufe einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine kann nach hinten von einem stromaufwärtigen Ende des Übergangsstücks beabstandet sein; wobei die gemeinsame Injektionsebene der zweiten Stufe nach hinten von dem hinteren Rahmen beabstandet sein kann.

[0019] Die gemeinsame Injektionsebene der zweiten Stufe einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine kann an der Reihe von Statorschaufeln in der Turbine positioniert sein und die Injektoren der zweiten Stufe können in die Reihe von Statorschaufeln integriert sein.

[0020] Die gemeinsame Injektionsebene der ersten Stufe einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine kann an dem hinteren Rahmen der Brennkammer positioniert sein, und die gemeinsame Injektionsebene der zweiten Stufe kann an der Reihe von Statorschaufeln in der Turbine positioniert sein; und die Injektoren der ersten Stufe können in den hinteren Rahmen integriert sein und die Injektoren der zweiten Stufe sind in die Reihe von Statorschaufeln integriert.

[0021] Das stromabwärtige Injektionssystem einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine kann eine dritte Stufe aufweisen, die innerhalb des inneren Strömungswegs positioniert ist, wobei die dritte Stufe zur Injektion von sowohl Luft als auch Brennstoff in den inneren Strömungsweg konfiguriert ist; wobei die zweite Stufe und die dritte Stufe entlang der Längsachse des inneren Strömungswegs jeweils axial von der anderen beabstandet sein können, wobei die dritte Stufe eine axiale Position aufweist, die sich hinter der zweiten Stufe befindet.

[0022] Der innere Strömungsweg kann unmittelbar hinter dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem eine primäre Verbrennungszone haben, die von einer umgebenden Auskleidung definiert wird, und der innere Strömungsweg kann unmittelbar hinter der Auskleidung eine Übergangszone haben, die von einem umgebenden Übergangsstück definiert wird; wobei das Übergangsstück konfiguriert sein kann, um die primäre Verbrennungszone in Strömungsverbindung mit einem Einlass der Turbine zu koppeln, während es eine Strömung durch das Übergangsstück von einem ungefähr zylindrischen Querschnittsbereich der Auskleidung in einen kreisringförmigen Querschnittsbereich des Einlasses der Turbine übergehen lässt; wobei das Übergangsstück einen hinteren Rahmen auf-weisen kann, der die Verbindungsstelle zwischen der Brennkammer und dem Einlass der Turbine bildet; und wobei die erste Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems innerhalb der Übergangszone positioniert sein kann.

[0023] Die zweite Stufe einer beliebigen oben erwähnten Gasturbine kann an dem hinteren Rahmen der Brennkammer positioniert sein, und die dritte Stufe kann an der Reihe von Statorschaufeln in der Turbine positioniert sein, und die zweite Stufe kann in den hinteren Rahmen integriert sein, und die dritte Stufe ist in die Reihe von Statorschaufeln integriert.

[0024] Die vorliegende Anmeldung beschreibt ferner eine Brennkammer, die mit einer Turbine gekoppelt ist, die miteinander einen inneren Strömungsweg definieren, wobei der innere Strömungsweg an einer Längsachse von einem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem, das ein vorderes Ende definiert, durch eine Verbindungsstelle, an der die Brennkammer mit der Turbine verbunden ist, und durch eine Reihe von Statorschaufeln in der Turbine, die ein hinteres Ende definiert, nach hinten verläuft; und ein stromabwärtiges Injektionssystem, das zwei Injektionsstufen, eine erste Stufe und eine zweite Stufe, enthält, die entlang der Längsachse des inneren Strömungswegs axial voneinander beabstandet sind, wobei die erste Stufe und die zweite Stufe jeweils mehrere Injektoren beinhalten, die zur Injektion eines Gemisches von Luft und Brennstoff in den inneren Strömungsweg konfiguriert sind. Eine erste Verweilzeit umfasst eine Zeitdauer während einer vorbestimmten Gasturbinenbetriebsart, welche die Verbrennungsströmung benötigt, um entlang des inneren Strömungswegs von einer ersten Position, die an dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem definiert ist, zu einer zweiten Position, die an der ersten Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems definiert ist, zu strömen. Eine zweite Verweilzeit umfasst eine Zeitdauer während der vorbestimmten Gasturbinenbetriebsart, welche die Verbrennungsströmung benötigt, um entlang des inneren Strömungswegs von einer ersten Position, die an der zweiten Stufe definiert ist, zu einer zweiten Position, die an einer Brennkammerendebene definiert ist, zu strömen. Die erste Stufe kann in einer Entfernung hinter dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem positioniert sein, die dem entspricht, dass die erste Verweilzeit wenigstens 6 Millisekunden beträgt. Die zweite Stufe kann in einer Entfernung vor der Brennkammerendebene positioniert sein, welche dem entspricht, dass die zweite Verweilzeit weniger als 2 Millisekunden beträgt.

[0025] Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den angehängten Ansprüchen offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0026] Diese und andere Merkmale dieser Erfindung werden beim eingehenden Studium der folgenden ausführlicheren Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen umfassender verstanden und erfasst werden. Dabei zeigt: <tb>Fig. 1<SEP>eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Gasturbine, in der gewisse Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können, <tb>Fig. 2<SEP>eine schematische Schnittdarstellung einer konventionellen Brennkammer, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, <tb>Fig. 3<SEP>eine schematische Schnittdarstellung einer konventionellen Brennkammer, die eine einzelne Stufe stromabwärtiger Brennstoffinjektoren gemäss einer konventionellen Gestaltung beinhaltet, <tb>Fig. 4<SEP>eine schematische Schnittdarstellung einer Brennkammer und der stromaufwärtigen Stufen einer Turbine gemäss Aspekten einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 5<SEP>eine schematische Schnittdarstellung einer Brennkammer und der stromaufwärtigen Stufen einer Turbine gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 6<SEP>eine schematische Schnittdarstellung einer Brennkammer und der stromaufwärtigen Stufen einer Turbine gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 7<SEP>eine schematische Schnittdarstellung einer Brennkammer und der stromaufwärtigen Stufen einer Turbine gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 8<SEP>eine schematische Schnittdarstellung einer Brennkammer und der stromaufwärtigen Stufen einer Turbine gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 9<SEP>eine schematische Schnittdarstellung einer Brennkammer und der stromaufwärtigen Stufen einer Turbine gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 10<SEP>eine schematische Schnittdarstellung einer Brennkammer und der stromaufwärtigen Stufen einer Turbine gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 11<SEP>eine schematische Schnittdarstellung einer Brennkammer und der stromaufwärtigen Stufen einer Turbine gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 12<SEP>eine schematische Schnittdarstellung einer Brennkammer und der stromaufwärtigen Stufen einer Turbine gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 13<SEP>eine schematische Schnittdarstellung einer Brennkammer und der stromaufwärtigen Stufen einer Turbine gemäss einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 14<SEP>eine perspektivische Ansicht eines hinteren Rahmens gemäss gewissen Aspekten der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 15<SEP>eine Schnittansicht eines hinteren Rahmens gemäss gewissen Aspekten der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 16<SEP>eine Schnittansicht eines hinteren Rahmens gemäss gewissen Aspekten der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 17<SEP>eine Schnittansicht eines hinteren Rahmens gemäss gewissen Aspekten der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 18<SEP>eine Schnittansicht eines hinteren Rahmens gemäss gewissen Aspekten der vorliegenden Erfindung und <tb>Fig. 19<SEP>eine Schnittansicht eines hinteren Rahmens gemäss gewissen Aspekten der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0027] Die folgenden Beispiele der vorliegenden Erfindung werden zwar in Bezug auf spezielle Typen von Turbinenmaschine beschrieben, der Durchschnittsfachmann wird aber erkennen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Verwendung beschränkt werden darf und auf andere Typen von Turbinenmaschinen anwendbar sein kann, sofern sie nicht speziell davon ausgegrenzt ist. Ferner ist zu erkennen, dass bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung eine gewisse Terminologie verwendet werden kann, um auf gewisse Maschinenbauteile innerhalb der Gasturbinenmaschine Bezug zu nehmen. Es wird möglichst immer übliche Industrieterminologie auf eine Weise verwendet und eingesetzt, die mit ihrer akzeptierten Bedeutung übereinstimmt. Derartige Terminologie darf aber nicht eng ausgelegt werden, da der Durchschnittsfachmann erkennen wird, dass auf ein spezielles Maschinenbauteil oft unter Verwendung anderer Terminologie Bezug genommen werden kann. Ausserdem kann das, was hierin als einzelnes Bauteil beschrieben werden kann, in einem anderen Zusammenhang als aus mehreren Bauteilen bestehend genannt werden, oder das, was hierin als mehrere Bauteile beinhaltend beschrieben wird, an anderer Stelle als ein einzelnes bezeichnet werden kann. Von daher ist beim Verstehen des Umfangs der vorliegenden Erfindung nicht nur die jeweilige Terminologie zu beachten, sondern auch die begleitende Beschreibung, der Umfang sowie der Aufbau, die Konfiguration, die Funktion und/oder die Nutzung des Bauteils, insbesondere wie sie in den angehängten Ansprüchen vorgesehen sein können.

[0028] Hierin werden möglicherweise mehrere beschreibende Begriffe regelmässig verwendet und es mag nützlich sein, diese Begriffe zu Beginn dieses Abschnitts zu definieren. Dementsprechend sind diese Begriffe und ihre Definitionen, sofern nicht anders angegeben, wie folgt. «Stromabwärts» und «stromaufwärts», wie hierin verwendet, sind Begriffe, die eine Richtung relativ zum Fluss eines Fluids andeuten, wie z.B. des Arbeitsfluids durch den Verdichter-, den Brennkammer- und den Turbinenabschnitt der Gasturbine oder des Strömungskühlmittels durch eines der Bauteilsysteme der Maschine. Der Begriff «stromabwärts entspricht der Richtung der Fluidströmung, während der Begriff «stromaufwärts» sich auf die Richtung bezieht, die der Richtung der Fluidströmung entgegengesetzt oder ihr entgegen ist. Die Begriffe «vorn» und «hinten» ohne weitere Spezifität beziehen sich auf Richtungen relativ zur Ausrichtung der Gasturbine, wobei «vorn» sich auf das vordere oder Verdichterende der Maschine und «hinten» sich auf das hintere oder Turbinenende der Maschine bezieht, wobei ihre Ausrichtung in Fig. 1 veranschaulicht wird.

[0029] Ausserdem werden in Anbetracht der Konfiguration einer Gasturbinenmaschine um eine Mittelachse sowie dieses gleichen Konfigurationstyps in einigen Bauteilsystemen wahrscheinlich Begriffe verwendet, welche die Position relativ zu einer Achse beschreiben. In dieser Hinsicht ist zu beachten, dass der Begriff «radial» sich auf eine zu einer Achse lotrechte Bewegung oder Position bezieht. Diesbezüglich muss eventuell der relative Abstand von der zentralen Achse beschrieben werden. In diesem Fall wird zum Beispiel, wenn ein erstes Bauteil näher an der Mittelachse liegt als ein zweites Bauteil, hierin angegeben, dass das erste Bauteil vom zweiten Bauteil «radial einwärts» oder «innenliegend» ist. Wenn dagegen das erste Bauteil weiter von der Achse entfernt ist als das zweite Bauteil, kann hierin angegeben werden, dass das erste Bauteil vom zweiten Bauteil «radial auswärts» oder «aussenliegend» ist. Ausserdem ist erkennbar, dass der Begriff «axial» sich auf eine zu einer Achse parallele Bewegung oder Position bezieht. Und schliesslich bezieht sich der Begriff «in Umfangsrichtung» auf eine Bewegung oder Position um eine Achse. Wie erwähnt, können diese Begriffe zwar in Bezug auf die gemeinsame Mittelachse oder Welle angewendet werden, die gewöhnlich durch die Verdichter- und Turbinenabschnitte der Maschine verläuft, sie können aber auch in Bezug auf andere Bauteile oder Teilsysteme verwendet werden. Zum Beispiel kann im Fall einer zylindrisch geformten Brennkammer des «Rohrtyps», die vielen Maschinen gemeinsam ist, die Achse, die diesen Begriffen relative Bedeutung verleiht, die Längsachse sein, die durch die Mitte der zylindrischen «Rohr»-Form, nach der sie benannt ist, oder die ringförmigere stromabwärtige Form des Übergangsstücks definiert ist.

[0030] In Fig. 1 , auf die nun als Hintergrund Bezug genommen wird, ist eine beispielhafte Gasturbine 10 bereitgestellt, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Im Allgemeinen funktionieren Gasturbinenmaschinen bzw. -anlagen, indem sie einem unter Druck stehenden Heissgasstrom, der durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom verdichteter Luft erzeugt wird, Energie entziehen. Wie in Fig. 1 veranschaulicht, beinhaltet die Verbrennungsturbine 10 einen axialen Verdichter 11, der über eine gemeinsame Welle mechanisch mit einem/einer stromabwärtigen Turbinenabschnitt oder Turbine 13 gekoppelt ist, zwischen denen eine Brennkammer 12 positioniert ist. Wie gezeigt, hat der Verdichter 11 mehrere Stufen, die jeweils eine Reihe von Verdichterrotorschaufeln gefolgt von einer Reihe von Verdichterstatorschaufeln beinhalten. Die Turbine 13 beinhaltet auch mehrere Stufen. Jede der Turbinenstufen beinhaltet eine Reihe von Turbinenlaufschaufeln oder -rotorschaufeln gefolgt von einer Reihe von Turbinenleitschaufeln/-statorschaufein, die während des Betriebs unbewegt bleiben. Die Turbinenstatorschaufeln sind allgemein sich in Umfangsrichtung erstreckend voneinander beabstandet und um die Drehachse fixiert. Die Laufschaufeln können an einem Laufrad montiert sein, das mit der Welle verbunden ist.

[0031] Im Betrieb verdichtet die Drehung der Verdichterrotorschaufeln innerhalb des Verdichters 11 einen Luftstrom, der in die Brennkammer 12 geführt wird. Innerhalb der Brennkammer 12 wird die verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und entzündet, um einen energiebeaufschlagten Strom von Arbeitsfluid zu erzeugen, der dann durch die Turbine 13 entspannt werden kann. Speziell wird das Arbeitsfluid aus der Brennkammer 12 so über die Turbinenrotorschaufein geführt, dass die Drehung verursacht wird, welche das Laufrad dann auf die Welle überträgt. Auf diese Weise wird die Energie des Arbeitsfluidstroms in die mechanische Energie der rotierenden Welle umgewandelt. Die mechanische Energie der Welle kann dann zum Antreiben der Drehung der Verdichterrotorschaufeln verwendet werden, um die notwendige Druckluftzufuhr zu erzeugen und zum Beispiel einen Generator anzutreiben, um Elektrizität zu erzeugen.

[0032] Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer konventionellen Brennkammer, in der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Die Brennkammer 20 kann aber verschiedene Formen haben, die jeweils geeignet ist, um verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufzunehmen. Im typischen Fall beinhaltet die Brennkammer 20 mehrere Brennstoffdüsen 21, die am Kopfende 22 positioniert sind. Es ist zu beachten, dass mit der vorliegenden Erfindung verschiedene konventionelle Konfigurationen für Brennstoffdüsen 21 verwendet werden können. Innerhalb des Kopfendes 22 werden Luft und Brennstoff zur Verbrennung innerhalb einer Verbrennungszone 23 zusammengeführt, die von einer umgebenden Auskleidung 24 definiert wird. Die Auskleidung 24 erstreckt sich gewöhnlich vom Kopfende 22 zu einem Übergangsstück 25. Die Auskleidung 24, wie gezeigt, ist von einer Strömungshülle 26 umgeben und das Übergangsstück 25 ist desgleichen von einer Prallhülle 28 umgeben. Es ist erkennbar, dass zwischen der Strömungshülle 26 und der Auskleidung 24 und dem Übergangsstück 25 und der Prallhülle 28 ein Ringraum ausgebildet ist, der hierin als «Strömungsringraum 27» bezeichnet wird. Der Strömungsringraum 27, wie gezeigt, erstreckt sich über einen Grossteil der Länge der Brennkammer 20. Von der Auskleidung 24 her wandelt das Übergangsstück 25 den Strom vom kreisförmigen Querschnitt der Auskleidung 24 in seinem Verlauf stromabwärts in Richtung auf die Turbine 13 in einen ringförmigen Querschnitt um. Am stromabwärtigen Ende führt das Übergangsstück 25 den Arbeitsfluidstrom zur ersten Stufe der Turbine 13 hin.

[0033] Es ist erkennbar, dass der Strömungsmantel 26 und der Prallmantel 28 gewöhnlich durch sie hindurch ausgebildete Prallöffnungen (nicht gezeigt) haben, die eine Druckluftprallströmung vom Verdichter 12 in den zwischen der Strömungshülle 26/Auskleidung 24 und/oder der Prallhülle 28/dem Übergangsstück 25 gebildeten Ringraum eintreten lassen. Die Druckluftströmung durch die Prallöffnungen kühlt die Aussenflächen der Auskleidung 24 und des Übergangsstücks 25 durch Konvektion. Die durch die Strömungshülle 26 und die Prallhülle 28 in die Brennkammer 20 eintretende Luft wird über den Strömungsringraum 27 zum vorderen Ende der Brennkammer 20 hin geführt. Die Druckluft tritt dann in die Brennstoffdüsen 21 ein, wo sie zur Verbrennung mit einem Brennstoff vermischt wird.

[0034] Die Turbine 13 hat gewöhnlich mehrere Stufen, die jeweils zwei axial gestapelte Schaufelreihen beinhalten: eine Reihe von Statorschaufeln 16, gefolgt von einer Reihe von Rotorschaufeln 17, wie in den Fig. 1 und 4 gezeigt. Jede der Schaufelreihen hat viele Schaufeln, die sich in Umfangsrichtung erstreckend voneinander beabstandet um die Mittelachse der Turbine 13 angeordnet sind. Am stromabwärtigen Ende hat das Übergangsstück 25 einen Auslass und hinteren Rahmen 29, der den Strom von Verbrennungsprodukten in die Turbine 13 führt, wo er mit den Rotorschaufeln in Wechselwirkung kommt, um die Drehung um die Welle zu bewirken. Auf diese Weise dient das Übergangsstück 25 zur Verbindung der Brennkammer 20 und der Turbine 13 miteinander.

[0035] Fig. 3 veranschaulicht eine Ansicht einer Brennkammer 12, die zusätzliche oder stromabwärtige Brennstoff-Luft-Injektion beinhaltet. Es ist erkennbar, dass eine derartige zusätzliche Brennstoff-Luft-Injektion oft als späte Magerinjektion oder axial gestufte Injektion bezeichnet wird. Dieser Injektionstyp, wie hierin verwendet, wird aufgrund des stromabwärtigen Orts der Brennstoff-Luft-Injektion relativ zu den am Kopfende 22 positionierten primären Brennstoffdüsen 21 als «stromabwärtige Injektion» bezeichnet. Es ist erkennbar, dass das stromabwärtige Injektionssystem 30 von Fig. 3 mit einer konventionellen Ausgestaltung übereinstimmt und lediglich zu exemplarischen Zwecken bereitgestellt wird. Wie gezeigt, kann das stromabwärtige Injektionssystem 20 einen innerhalb der Strömungshülle 26 definierten Brennstoffkanal 31 beinhalten, obwohl auch andere Brennstoffzufuhrtypen möglich sind. Der Brennstoffkanal 31 kann zu Injektoren 32 verlaufen, die in diesem Beispiel an oder nahe dem hinteren Ende der Auskleidung 24 und der Strömungshülle 26 positioniert sind. Die Injektoren 32 können eine Düse 33 und ein Übertragungsrohr 34, das sich über den Strömungsringraum 27 erstreckt, haben. Angesichts dieser Anordnung ist erkennbar, dass jeder Injektor 32 eine vom Äusseren der Strömungshülle 26 abgeleitete Druckluftzufuhr und eine durch die Düse 33 zugeführte Brennstoffzufuhr zusammenführt und dieses Gemisch in die Verbrennungszone 23 innerhalb der Auskleidung 24 einspritzt. Wie gezeigt, können mehrere Brennstoffinjektoren 32 sich in Umfangsrichtung um die Baugruppe Strömungshülle 26/Auskleidung 24 erstreckend positioniert sein, so das ein Brennstoff-Luft-Gemisch an mehreren Punkten um die Verbrennungszone 23 eingeführt wird. Die mehreren Brennstoffinjektoren 32 können an der gleichen axialen Position positioniert sein. Das heisst, die mehreren Injektoren befinden sich an der gleichen Position entlang der Mittelachse 37 der Brennkammer 12. Brennstoffinjektoren 32 mit dieser Konfiguration, wie hierin verwendet, können als auf einer gemeinsamen Injektionsebene 38 positioniert beschrieben werden, die, wie gezeigt, eine zur Mittelachse 37 der Brennkammer 12 lotrechte Ebene ist. Bei der beispielhaften konventionellen Ausgestaltung von Fig. 3 ist die Injektionsebene 36 am rückwärtigen oder stromabwärtigen Ende der Auskleidung 24 positioniert.

[0036] Jetzt auf die Fig. 4 bis 19 und die Erfindung der vorliegenden Anmeldung Bezug nehmend, ist erkennbar, dass der Pegel der Gasturbinenemissionen von vielen Betriebskriterien abhängt. Die Temperatur der Reaktanten in der Verbrennungszone ist einer dieser Faktoren und es wurde schon nachgewiesen, dass sie gewisse Emissionspegel, wie NOx, mehr beeinflusst als andere. Es ist erkennbar, dass die Temperatur der Reaktanten in der Verbrennungszone in proportionaler Beziehung mit der Austrittstemperatur der Brennkammer steht, die höheren Druckverhältnissen entspricht, und ferner, dass höhere Druckverhältnisse in derartigen Maschinen des Brayton-Kreisprozess-Typs verbesserte Effizienzgrade ermöglichen. Da festgestellt wurde, dass die NOx-Emissionspegel eine starke und direkte Beziehung zur Temperatur von Reaktanten haben, war es für moderne Gasturbinen nur durch technologische Fortschritte wie fortgeschrittenes Brennstoffdüsendesign und Vormischen möglich, bei gleichzeitiger Erhöhung der Zündtemperaturen akzeptable NOx-Emissionspegel aufrecht zu erhalten. Nach diesen Fortschritten wurde die späte oder stromabwärtige Injektion eingesetzt, um weitere Erhöhungen der Zündtemperatur zu ermöglichen, da festgestellt wurde, dass kürzere Verweilzeiten der Reaktanten bei den höheren Temperaturen innerhalb der Verbrennungszone die NOx-Pegel senkten. Speziell wurde nachgewiesen, dass, zumindest in gewissem Masse, die Regulierung der Verweilzeit zur Regulierung der NOx-Emissionspegel verwendet werden kann.

[0037] Eine derartige stromabwärtige Injektion, die auch als «späte Magerinjektion» bezeichnet wird, führt einen Teil der Luft- und Brennstoffzufuhr stromabwärts von der Hauptzufuhr von Luft und Brennstoff, die zum Primärinjektionspunkt innerhalb des Kopfendes oder vorderen Endes der Brennkammer zugeführt wird, ein. Es ist erkennbar, dass eine derartige stromabwärtige Positionierung der Injektoren die Verweilzeit der Verbrennungsreaktanten innerhalb der höheren Temperaturen der Flammenzone innerhalb der Brennkammer verringert. Speziell führt die Verkürzung der von den Reaktanten vor Verlassen der Flammenzone zurückzulegenden Entfernung durch stromabwärtige Injektion aufgrund der im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit des Fluidstroms durch die Brennkammer zu einer reduzierten Verweilzeit dieser Reaktanten bei den hohen Temperaturen in der Flammenzone, was, wie angegeben, die Bildung von NOxund NOx-Emissionspegel für die Maschine reduziert. Dies hat fortschrittliche Brennkammerausgestaltungen erlaubt, die fortschrittliche Brennstoff/Luft-Misch- oder -Vormischtechnologien mit der reduzierten Verweilzeit von Reaktanten der stromabwärtigen Injektion koppeln, um weitere Erhöhungen der Brennkammerzündtemperatur und, was wichtig ist, effizientere Maschinen zu erzielen, während auch akzeptable NOx-Emissionspegel beibehalten werden.

[0038] Andere Überlegungen beschränken aber die Art und Weise, in der, bzw. das Ausmass, in dem die stromabwärtige Injektion erfolgen kann. Zum Beispiel kann die stromabwärtige Injektion das Ansteigen von Emissionspegeln von CO und unverbrannten HC verursachen. Das heisst, wenn Brennstoff in zu grossen Mengen an Stellen eingespritzt wird, die in der Verbrennungszone zu weit stromabwärts sind, kann dies zur unvollständigen Verbrennung des Brennstoffs oder eines unzureichenden CO-Ausbrands führen. Während die Grundsätze um den Gedanken der Spätinjektion und wie sie verwendet werden kann, um gewisse Emissionen zu beeinflussen, allgemein bekannt sein können, verbleiben dementsprechend herausfordernde Konstruktionshindernisse dahingehend, wie diese Strategie optimiert werden kann, um höhere Brennkammerzündtemperaturen zu ermöglichen. Dementsprechend sind neue Brennkammerausgestaltungen und -technologien, welche die weitere Optimierung der Verweilzeit auf effiziente und kostengünstige Weisen ermöglichen, wichtige Bereiche für einen weiteren technischen Fortschritt, der, wie unten besprochen, Gegenstand dieser Anmeldung ist.

[0039] Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schlägt einen integrierten zweistufigen Injektionsansatz für die stromabwärtige Injektion vor. Jede Stufe, wie unten beschrieben, kann axial so beabstandet sein, dass sie innerhalb der weit hinten befindlichen Teile der Brennkammer 12 und/oder der stromaufwärtigen Regionen der Turbine 13 eine separate axiale Lage relativ zur anderen hat. In Fig. 4 , auf die jetzt Bezug genommen wird, wird ein Schnittteil einer Gasturbinenmaschine 10 veranschaulicht, der gemäss Aspekten der vorliegenden Erfindung ungefähre Bereiche (schattierter Teil) für die Platzierung jeder der zwei Spätinjektionsstufen zeigt. Speziell kann ein stromabwärtiges Injektionssystem 30 gemäss der vorliegenden Erfindung zwei integrierte axiale Injektionsstufen innerhalb einer Übergangszone 39 beinhalten, die der Teil des inneren Strömungswegs ist, der innerhalb des Übergangsstücks 25 der Brennkammer 12 definiert ist, oder der innere Strömungsweg, der stromabwärts innerhalb der ersten Stufe der Turbine 13 definiert ist. Die zwei axialen Stufen der vorliegenden Erfindung beinhalten, was hierin als eine stromaufwärtige oder «erste Stufe 41» und eine stromabwärtige oder «zweite Stufe 42» bezeichnet wird. Gemäss gewisser Ausführungsformen beinhaltet jede dieser axialen Stufen mehrere Injektoren 32. Die Injektoren 32 innerhalb jeder der Stufen können sich in Umfangsrichtung erstreckend an der ungefähr gleichen axialen Position innerhalb der Übergangszone 39 oder des vorderen Teils der Turbine 13 voneinander beabstandet sein. Der derart konfigurierte Injektor 32 (d.h. die Injektoren sind sich in Umfangsrichtung erstreckend auf einer gemeinsamen axialen Ebene voneinander beabstandet) wird hierin als eine gemeinsame Injektionsebene 38 aufweisend beschrieben, wie mit Bezug auf die Fig. 5 bis 7 ausführlicher besprochen wird. Gemäss bevorzugten Ausführungsformen können die Injektoren an jeder der ersten und der zweiten Stufe 41, 42 zur Injektion von Luft und Brennstoff an jeder Stelle konfiguriert sein.

[0040] Fig. 4 veranschaulicht axiale Bereiche, innerhalb derer die erste Stufe 41 und die zweite Stufe 42 jeweils gemäss bevorzugten Ausführungsformen liegen können. Zum Definieren einer bevorzugten axialen Positionierung ist erkennbar, dass in Anbetracht der Schnitt- bzw. Profilansicht der Fig. 5 bis 7 die Brennkammer 12 und die Turbine 13 als einen inneren Strömungsweg definierend, der um eine Längsmittelachse 37 von einem stromaufwärtigen Ende nahe dem Kopfende 22 der Brennkammer 12 bis zu einem stromabwärtigen Ende im Abschnitt der Turbine 13 verläuft, beschrieben werden können. Dementsprechend kann die Positionierung jeder der ersten und der zweiten Stufe 41, 42 relativ zur Lage von jeder an der Längsachse 37 des inneren Strömungswegs entlang definiert werden. Wie in Fig. 4 auch angedeutet, können gewisse lotrecht zur Längsmittelachse 37 ausgebildete Referenzebenen definiert werden, die axialen Positionen innerhalb dieser Region der Turbine weitere Definition geben. Die erste von diesen ist eine mittlere Brennkammerebene 48, die eine lotrechte Ebene relativ zur Mittelachse 37 ist, die am ungefähren axialen Mittelpunkt der Brennkammer 12 positioniert ist, d.h. etwa auf halben Weg zwischen den Brennstoffdüsen 21 des Kopfendes 22 und dem stromabwärtigen Ende der Brennkammer 12. Es ist erkennbar, dass die mittlere Brennkammerebene 48 gewöhnlich nahe dem Ort auftritt, an dem die Baugruppe Auskleidung 24/Strömungshülle 26 in die Baugruppe Übergangsstück 25/Prallhülle 28 übergeht. Die zweite Referenzebene, die wie veranschaulicht am hinteren Ende der Brennkammer 12 definiert wird, wird hierin als die Brennkammerendebene 49 bezeichnet. Die Brennkammerendebene 49 kennzeichnet das ferne stromabwärtige Ende des hinteren Rahmens 29.

[0041] Gemäss bevorzugten Ausführungsformen, wie in Fig. 4 gezeigt, kann das stromabwärtige Injektionssystem 30 der vorliegenden Erfindung zwei axiale Injektionsstufen beinhalten, eine erste Stufe 41 und eine zweite Stufe 42, die hinter der mittleren Brennkammerebene positioniert sind. Speziell kann die erste Stufe 41 in der hinteren Hälfte der Übergangszone 39 positioniert sein und die zweite Stufe 42 kann zwischen der ersten Stufe 41 und der ersten Reihe von Statorschaufeln 16 in der Turbine 13 positioniert sein. Mehr bevorzugt kann die erste Stufe 41 sehr spät innerhalb der hinteren Teile der Brennkammer 12 positioniert sein und die zweite Stufe 42 nahe oder stromabwärts der Endebene 49 der Brennkammer 12. In gewissen Fällen können die erste und die zweite Stufe 41, 42 nahe einander positioniert sein, so dass gemeinsame Luft/Brennstoffleitungen eingesetzt werden können.

[0042] Mehrere bevorzugte Ausführungsformen sind vorgesehen, jetzt bezugnehmend auf die Figuren 5 bis 10 , die weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung in ihrer Beziehung zu einem zweistufigen System veranschaulichen. Jede dieser Figuren beinhaltet eine Schnittansicht eines inneren Strömungswegs durch eine beispielhafte Brennkammer 12 und Turbine 13. Wie für den Durchschnittsfachmann erkennbar ist, können das Kopfende 22 und die Brennstoffdüsen 21, die hierin auch als das primäre Luft- und Brennstoffinjektionssystem bezeichnet werden können, eine beliebige von mehreren Konfigurationen haben, da der Betrieb der vorliegenden Erfindung nicht von einer spezifischen abhängig ist. Gemäss gewissen Ausführungsformen können das Kopfende 22 und die Brennstoffdüsen 21 so konfiguriert sein, dass sie mit den späten Mager- oder stromabwärtigen Injektionssystemen kompatibel sind, wie im US-Patent 8019 523 beschrieben und definiert wird, das hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen wird. Stromabwärts des Kopfendes 22 kann eine Auskleidung 24 eine Verbrennungszone 23 definieren, innerhalb derer viel der zum Kopfende 22 zugeführten primären Luft- und Brennstoffzufuhr verbrannt wird. Ein Übergangsstück 25 kann dann von der Auskleidung 24 stromabwärts verlaufen und eine Übergangszone 39 definieren und am stromabwärtigen Ende des Übergangsstücks 25 kann ein hinterer Rahmen 29 die Verbrennungsprodukte zur anfänglichen Reihe von Statorschaufeln 16 in der Turbine 13 hin führen.

[0043] Diese erste und zweite Injektionsstufe 41, 42 können jeweils mehrere von sich in Umfangsrichtung erstreckend voneinander beabstandeten Injektoren 32 beinhalten. Die Injektoren 32 in jeder der axialen Stufen können auf einer gemeinsamen Injektionsebene 38 positioniert sein, die eine lotrechte Referenzebene relativ zur Längsachse 37 des inneren Strömungswegs ist. Die Injektoren 32, die in den Fig. 5 bis 7 deutlichkeitshalber in einer vereinfachten Form dargestellt sind, können eine beliebige konventionelle Ausgestaltung für die Injektion von Luft und Brennstoff in das stromabwärtige oder hintere Ende der Brennkammer 12 oder die erste Stufe innerhalb der Turbine 13 beinhalten. Zu den Injektoren 32 beider Stufen 41, 42 kann der Injektor 32 von Fig. 3 sowie ein beliebiger derjenigen, die in den US-Patenten 8019 523 und 7603 863 beschrieben oder genannt werden, die beide hierin durch Bezugnahme aufgenommen werden, beliebige der unten in Bezug auf die Fig. 14 bis 19 beschriebenen sowie andere konventionelle Brennkammer-Brennstoff-Luft-Injektoren zählen. Wie in den aufgenommenen Bezugsdokumenten vorgesehen, können zu den Brennstoff-Luft-Injektoren 32 der vorliegenden Erfindung auch jene zählen, die gemäss beliebigen konventionellen Mitteln und Vorrichtungen innerhalb der Reihe von Statorschaufeln 16 integriert sind, wie z.B. die in US-Patent 7 603 863 beschriebenen. Bei Injektoren 32 innerhalb der Übergangszone 39 können sie jeweils vom Übergangsstück 25 und/oder der Prallhülle 28 strukturell getragen werden und können sich in einigen Fällen in die Übergangszone 39 hinein erstrecken. Die Injektoren 32 können konfiguriert sein, um Luft und Brennstoff in einer Richtung in die Übergangszone 39 einzuspritzen, die allgemein quer zu einer vorherrschenden Strömungsrichtung durch die Übergangszone 39 ist. Gemäss gewisser Ausführungsformen kann jede axiale Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems 30 mehrere Injektoren 32 beinhalten, die sich in Umfangsrichtung erstreckend in regelmässigen Abständen oder in anderen Fällen in unregelmässigen Abständen voneinander beabstandet sind. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform können, als Beispiel, an jeder der axialen Stufen zwischen 3 und 10 Injektoren 32 eingesetzt werden. In anderen bevorzugten Ausführungsformen kann die erste Stufe zwischen 3 und 6 Injektoren haben und die zweite Stufe (und eine dritte Stufe, falls vorhanden) kann jeweils zwischen 5 und 10 Injektoren auf weisen. In Bezug auf ihre Platzierung in Umfangsrichtung können die Injektoren 32 zwischen den zwei axialen Stufen 41, 42 in einer Reihe oder in Bezug zueinander versetzt platziert sein und können, wie unten besprochen wird, platziert sein, um einander zu ergänzen. In bevorzugten Ausführungsformen können die Injektoren 32 der ersten Stufe 41 konfiguriert sein, um mehr als die Injektoren 32 der zweiten Stufe 42 in den Hauptstrom einzudringen. In bevorzugten Ausführungsformen kann das dazu führen, dass die zweite Stufe 42 mehr Injektoren 32 hat, die um den Umfang des Strömungswegs positioniert sind, als die erste Stufe 41. Die Injektoren der ersten Stufe, der zweiten Stufe und einer dritten Stufe, falls vorhanden, können jeweils so konfiguriert sein, dass die Injektoren im Betrieb Luft und Brennstoff in einer Richtung zwischen +30° und –3° zu einer Referenzlinie einspritzen, die relativ zu einer vorherrschenden Richtung der Strömung durch den inneren Strömungsweg lotrecht ist.

[0044] In Bezug auf die axiale Positionierung der ersten Stufe 41 und der zweiten Stufe 42 eines stromabwärtigen Injektionssystem 30 kann in den bevorzugten Ausführungsformen der Fig. 5 und 6 die erste Stufe 41 knapp stromaufwärts oder stromabwärts der mittleren Brennkammerebene 48 positioniert sein und die zweite Stufe 42 kann nahe der Endebene 49 der Brennkammer 12 positioniert sein. In gewissen Ausführungsformen kann die Injektionsebene 38 der ersten Stufe 41 innerhalb der Übergangszone 39, etwa auf halbem Weg zwischen der mittleren Brennkammerebene 48 und der Endebene 49 angeordnet sein. Die zweite Stufe 42, wie in Fig. 5 gezeigt, kann knapp stromaufwärts des stromabwärtigen Endes der Brennkammer 12 oder der Endebene 49 positioniert sein. Anders ausgedrückt, kann die Injektionsebene 38 der zweiten Stufe 42 knapp stromaufwärts des stromaufwärtigen Endes des hinteren Rahmens 29 auftreten. Es ist erkennbar, dass die stromabwärtige Position der ersten und der zweiten Stufe 41, 42 die Zeit reduziert, während der die von dort eingespritzten Reaktanten innerhalb der Brennkammer verweilen. Das heisst, in Anbetracht der relativ konstanten Geschwindigkeit der Strömung durch die Brennkammer 13 steht die Verringerung der Verweilzeit in direkter Beziehung zur Entfernung, die Reaktanten zurücklegen müssen, bevor sie das stromabwärtige Ende der Brennkammer oder Flammenzone erreichen. Dementsprechend, wie unten ausführlicher besprochen wird, führt die Entfernung 51 für die erste Stufe 41 (in Fig. 6 gezeigt) zu einer Verweilzeit für die eingespritzten Reaktanten, die ein kleiner Bruchteil von derjenigen für am Kopfende 22 freigesetzte Reaktanten ist. Desgleichen führt die Entfernung 52 für die zweite Stufe 42 zu einer Verweilzeit für die eingespritzten Reaktanten, die ein kleiner Bruchteil von derjenigen für an der ersten Stufe 41 freigesetzte Reaktanten ist. Wie angegeben, reduziert diese verringerte Verweilzeit NOx-Emissionspegel. Wie unten ausführlicher besprochen wird, kann die genaue Platzierung der Injektionsstufen relativ zum primären Brennstoff- und Luftinjektionssystem und zueinander in gewissen Ausführungsformen von den erwarteten Verweilzeiten in Anbetracht der axialen Lage und des berechneten Durchflusses durch die Brennkammer abhängen.

[0045] In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, wie in Fig. 7 gezeigt, kann die Injektionsebene 38 der ersten Stufe 41 im hinteren Viertel des Übergangsstücks 25 positioniert sein, das, wie veranschaulicht, etwas weiter stromabwärts in der Brennkammer 12 ist als die erste Stufe 41 von Fig. 5 . In diesem Fall kann die Injektionsebene 38 der zweiten Stufe 42 am hinteren Rahmen 29 oder sehr nahe der Endebene 49 der Brennkammer 12 positioniert sein. In einem solchen Fall können die Injektoren 32 der zweiten Stufe 42 gemäss einer bevorzugten Ausführungsform in die Struktur des hinteren Rahmens 29 integriert sein.

[0046] In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, wie in Fig. 8 gezeigt, kann die Injektionsebene 38 der ersten Stufe 41 knapp stromaufwärts des hinteren Rahmens 29 oder der Endebene 49 der Brennkammer 12 positioniert sein. Die zweite Stufe 42 kann an oder sehr nahe der axialen Position der ersten Reihe von Statorschaufeln 16 innerhalb der Turbine 13 positioniert sein. In bevorzugten Ausführungsformen können die Injektoren 32 der zweiten Stufe 42 in diese Reihe von Statorschaufeln 16 integriert sein, wie oben erwähnt.

[0047] Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch Steuerkonfigurationen für die Verteilung von Luft und Brennstoff zwischen dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem des Kopfendes 22 und der ersten Stufe 41 und der zweiten Stufe 42 des stromabwärtigen Injektionssystems. Relativ zueinander, gemäss bevorzugten Ausführungsformen, kann die erste Stufe 41 so konfiguriert sein, dass sie mehr Brennstoff als die zweite Stufe 42 einspritzt. In gewissen Ausführungsformen beträgt der an der zweiten Stufe 42 eingespritzte Brennstoff weniger als 50% des an der ersten Stufe eingespritzten Brennstoffs. In anderen Ausführungsformen beträgt der an der zweiten Stufe 42 eingespritzte Brennstoff zwischen etwa 10% und 50% des an der ersten Stufe 41 eingespritzten Brennstoffs. Die erste und die zweite Stufe 41, 42 können jeweils so konfiguriert sein, dass sie in Anbetracht des eingespritzten Brennstoffs eine ungefähre Luftmindestmenge einspritzen, die durch Analyse und Testen ermittelt werden kann, um die NOxgegenüber der Brennkammeraustrittstemperatur ungefähr zu minimieren, während gleichzeitig ein angemessener CO-Ausbrand zugelassen wird. Andere bevorzugte Ausführungsformen beinhalten spezifischere Luft- und Brennstoffverteilungsgrade des primären Luft- und Brennstoffinjektionssystems des Kopfendes 22 und der ersten Stufe 41 und der zweiten Stufe 42 des stromabwärtigen Injektionssystems. Zum Beispiel beinhaltet in einer bevorzugten Ausführungsform die Brennstoffverteilung: zwischen 50% und 80% des Brennstoffs zum primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem; zwischen 20% und 40% zur ersten Stufe 41 und zwischen 2% und 10% zur zweiten Stufe. In derartigen Fällen kann die Luftverteilung Folgendes beinhalten: zwischen 60% und 85% der Luft zum primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem; zwischen 15% und 35% zur ersten Stufe 41 und zwischen 1% und 5% zur zweiten Stufe. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können derartige Aufteilungen von Luft und Brennstoff noch präziser definiert werden. In diesem Fall ist die Aufteilung von Luft und Brennstoff auf das primäre Luft- und Brennstoffinjektionssystem, die erste Stufe 41 und die zweite Stufe 42 wie folgt: 70/25/5% für den Brennstoff bzw. 80/18/2% für die Luft.

[0048] Die verschiedenen Injektoren der zwei Injektionsstufen können auf mehrere Arten gesteuert und konfiguriert werden, so dass der gewünschte Betrieb und die bevorzugte Aufteilung von Luft und Brennstoff erzielt werden. Es ist erkennbar, dass gewisse dieser Verfahren Aspekte der US-Patentanmeldung 2010/0 170 219 beinhalten, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird. Wie in Fig. 9 schematisch dargestellt, kann die Luft- und die Brennstoff zufuhr zu jeder der Stufen 41, 42 jeweils über ein gemeinsames Regelventil 55 gesteuert werden. Das heisst, dass die Luft- und Brennstoffzufuhr in gewissen Ausführungsformen als ein einzelnes System mit dem gemeinsamen Ventil 55 konfiguriert sein kann und die gewünschten Aufteilungen von Luft und Brennstoff auf die zwei Stufen über die Öffnungsbemessung innerhalb der separaten Zufuhrkanäle oder Injektoren 32 der zwei Stufen passiv bestimmt werden können. Wie in Fig. 10 veranschaulicht, können die Luft- und die Brennstoff-zufuhr für jede Stufe 41, 42 mit separaten Ventilen 55, die die Speisung für jede Stufe 41, 42 steuern, unabhängig gesteuert werden. Es ist erkennbar, dass ein hierin erwähntes steuerbares Ventil elektronisch mit einer Steuereinheit verbunden werden kann und seine Einstellungen über eine Steuereinheit in Übereinstimmung mit konventionellen Systemen manipuliert werden können.

[0049] Die Anzahl der Injektoren 32 und die Lage jedes Injektors in Umfangsrichtung in der ersten Stufe 41 können so gewählt werden, dass die/der eingespritzte Luft und Brennstoff in den Hauptbrennkammerstrom eindringen, um die Vermischung und Verbrennung zu verbessern. Die Injektoren 32 können justiert werden, damit das Eindringen in den Hauptstrom ausreicht, so dass die Vermischung und Reaktion von Luft und Brennstoff während der kurzen Verweilzeit in Anbetracht der stromabwärtigen Position der Injektion angemessen ist. Die Anzahl von Injektoren 32 für die zweite Stufe 42 kann passend zu den Strömungs- und Temperaturprofilen gewählt werden, die sich aus der Injektion der ersten Stufe 41 ergeben. Ferner kann die zweite Stufe so konfiguriert werden, dass sie eine geringere Eindringung des Strahls in den Strom des Arbeitsfluids hat als die für die Injektion der ersten Stufe erforderliche. Infolgedessen können, verglichen mit der ersten Stufe, für die zweite Stufe mehr Injektionspunkte um den Rand des Strömungswegs positioniert werden. Ausserdem kann die Zahl und der Typ der Injektoren 32 der ersten Stufe und die an jedem jeweils eingespritzten Luft- und Brennstoffmengen so gewählt werden, dass brennbare Reaktanten an Stellen platziert werden, wo die Temperatur niedrig ist und/oder die CO-Konzentration hoch ist, um die Verbrennung und den CO-Ausbrand zu verbessern. Vorzugsweise sollte die axiale Lage der ersten Stufe 41 so weit hinten wie möglich sein, in Übereinstimmung mit der Fähigkeit der zweiten Stufe 42 zur Förderung der Reaktion von CO/unverbrennbarem HC, der/das die erste Stufe 41 verlässt. Da die Verweilzeit der Injektion der zweiten Stufe 42 sehr kurz ist, wird dort ein relativ kleiner Bruchteil von Brennstoff eingespritzt, wie oben vorgesehen. Die Luftmenge der zweiten Stufe 42 kann auch auf Basis von Berechnungen und Testdaten minimiert werden.

[0050] In gewissen bevorzugten Ausführungsformen können die erste Stufe 41 und die zweite Stufe 42 so konfiguriert werden, dass die/der eingespritzte Luft und Brennstoff von der ersten Stufe 41 die Verbrennungsströmung durch den inneren Strömungsweg mehr durchdringen als die/der eingespritzte Luft und Brennstoff von der zweiten Stufe 42. In derartigen Fällen, wie bereits erwähnt, kann die zweite Stufe 42 mehrere Injektoren 32 einsetzen (relativ zur ersten Stufe 41), die zur Erzeugung eines weniger heftigen Injektionsstroms konfiguriert sind. Es ist erkennbar, dass die Injektoren 32 der ersten Stufe 41 bei dieser Strategie in erster Linie im Hinblick auf das Mischen der/des eingespritzten Luft und Brennstoffs, die sie einspritzen, mit der Verbrennungsströmung in einer mittleren Region des inneren Strömungswegs konfiguriert sind, während die Injektoren 32 der zweiten Stufe 42 in erster Linie zum Mischen der/des eingespritzten Luft und Brennstoffs mit der Verbrennungsströmung in einer Randregion des inneren Strömungswegs konfiguriert sind.

[0051] Gemäss Aspekten der vorliegenden Erfindung können die zwei Stufen der stromabwärtigen Injektion integriert werden, um Funktion, Reaktantenvermischung und Verbrennungscharakteristik durch den inneren Strömungsweg zu verbessern, während die Effizienz bezüglich der Nutzung der während des Betriebs zur Brennkammer 13 zugeführten Luftzufuhr verbessert wird. Das heisst, möglicherweise wird weniger Injektionsluft benötigt, um die Leistungsvorteile zu erzielen, die mit der stromabwärtigen Injektion assoziiert sind, die die den hinteren Teilen der Brennkammer 13 zugeführte Luftmenge und die von dieser Luft bereitgestellte Kühlwirkung erhöht. Damit übereinstimmend beinhaltet in bevorzugten Ausführungsformen die Platzierung der Injektoren 32 der ersten Stufe 41 in Umfangsrichtung eine Konfiguration, von der die/der eingespritzte Luft und Brennstoff auf der Basis einer erwarteten Verbrennungsströmung vom primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem in vorbestimmte Bereiche des inneren Strömungswegs eindringt, um die Reaktantenvermischung und die Temperaturgleichmässigkeit in einer Verbrennungsströmung stromabwärts der ersten Stufe 41 zu erhöhen. Ausserdem kann die Platzierung der Injektoren 32 der zweiten Stufe 42 eine sein, welche in Anbetracht einer Kennlinie der erwarteten Verbrennungsströmung stromabwärts der ersten Stufe 41 die Platzierung von Injektoren 32 der ersten Stufe 41 in Umfangsrichtung ergänzt. Es ist erkennbar, dass mehrere verschiedene Verbrennungsströmungskenn-linien zur Verbesserung der Verbrennung durch die Brennkammer wichtig sind, die den Emissionspegeln zugute kommen könnte. Zu diesen zählen z.B. Reaktantenverteilung, Temperaturprofil, CO-Verteilung und Verteilung von unverbrannten HC innerhalb der Verbrennungsströmung. Es ist erkennbar, dass derartige Kennlinien als die Querschnittsverteilung jedweder Strömungskennlinie innerhalb der Verbrennungsströmung an einer axialen Stelle oder einem axialen Bereich innerhalb des inneren Strömungswegs definiert werden können und dass gewisse Computerbetriebsmodelle zum Vorhersagen derartiger Kennlinien verwendet werden können oder sie durch Experimente oder Testen eines tatsächlichen Maschinenbetriebs oder einer Kombination von diesen ermittelt werden können. Gewöhnlich steigt die Leistung, wenn die Verbrennungsströmung gründlich durchmischt und gleichmässig ist, und der integrierte zweistufige Ansatz der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um dies zu erreichen. Dementsprechend kann die Platzierung der Injektoren 32 der ersten Stufe 41 und der zweiten Stufe 42 in Umfangsrichtung basiert werden auf: a) einer Kennlinie einer erwarteten Verbrennungsströmung knapp stromaufwärts der ersten Stufe 41 während des Betriebs und b) der Kennlinie einer erwarteten Verbrennungsströmung knapp stromabwärts der zweiten Stufe 42 angesichts einer erwarteten Wirkung der Luft- und Brennstoffinjektion von der Platzierung der Injektoren 32 der ersten Stufe 41 und der zweiten Stufe 42 in Umfangsrichtung. Wie angegeben, kann die Kennlinie hier die Reaktantenverteilung, das Temperaturprofil, die NOx-Verteilung, die C0-Verteilung, die Verteilung von unverbrannten HC oder eine andere relevante Kennlinie sein, die zum Modellieren von einer von diesen verwendet werden kann. Getrennt betrachtet, kann nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung die Platzierung der Injektoren 32 der ersten Stufe 41 in Umfangsrichtung auf der Basis einer Kennlinie einer erwarteten Verbrennungsströmung knapp stromaufwärts der ersten Stufe 41 während des Betriebs erfolgen, welche auf der Konfiguration des primären Luft- und Brennstoffinjektionssystems 30 basiert werden kann. Die Platzierung der Injektoren 32 der zweiten Stufe 42 in Umfangsrichtung kann auf der Basis der Kennlinie einer erwarteten Verbrennungsströmung knapp stromaufwärts der zweiten Stufe 42 erfolgen, welche auf der Platzierung der Injektoren 32 der ersten Stufe 41 in Umfangsrichtung basiert werden kann.

[0052] Es ist erkennbar, dass das integrierte zweistufige stromabwärtige Injektionssystem 30 der vorliegenden Erfindung mehrere Vorteile hat. Erstens reduziert das integrierte System die Verweilzeit, indem es die erste und die zweite Stufe physisch miteinander verbindet, so dass die erste Stufe 41 weiter stromabwärts versetzt werden kann. Zweitens ermöglicht das integrierte System die Verwendung von mehr und kleineren Injektionspunkten in der ersten Stufe, weil die zweite Stufe auf das Bewältigen nicht erwünschter Merkmale des resultierenden Flusses stromabwärts der ersten Stufe abgestimmt werden kann. Drittens ermöglicht die Aufnahme einer zweiten Stufe, dass jede Stufe so konfiguriert sein kann, dass sie im Vergleich zu einem einstufigen System weniger in den Hauptström eindringt, was den Verbrauch von weniger «Träger»-Luft zum Erhalten der notwendigen Eindringung erfordert. Das bedeutet, dass weniger Luft aus dem Kühlungsstrom innerhalb des Strömungsringraums abgeschöpft wird, was es erlaubt, dass die Konstruktion der Hauptbrennkammer bei reduzierten Temperaturen betrieben wird. Viertens ermöglicht die reduzierte Verweilzeit höhere Brennkammertemperaturen ohne Erhöhung der NOx-Emissionen. Fünftens kann eine einzelne «Dualverteiler «-Anordnung verwendet werden, um den Aufbau des integrierten zweitstufigen Injektionssystems zu vereinfachen, was die Erzielung dieser diversen Vorteile kostengünstig macht.

[0053] Jetzt mit Bezug auf eine zusätzliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist erkennbar, dass die Positionierung der Injektionsstufen auf der Basis der Verweilzeit erfolgen kann. Wie beschrieben, kann die Positionierung der stromabwärtigen Injektionsstufen mehrere Verbrennungsleistungsparameter beeinflussen, einschliesslich unter anderem Kohlenmonoxidemissionen (CO). Die Positionierung von stromabwärtigen Stufen zu nahe an der primären Stufe kann zu hohe Kohlenmonoxidemissionen verursachen, wenn die stromabwärtigen Stufen nicht mit Brennstoff versorgt werden. Von daher muss der Strom von der primären Zone Zeit für die Reaktion mit dem und den Verbrauch des Kohlenmonoxid(s) vor der ersten stromabwärtigen Injektionsstufe haben. Es ist erkennbar, dass diese erforderliche Zeit die «Verweilzeit» des Stroms oder, anders ausgedrückt, die Zeit ist, die der Strom von Verbrennungsmaterialien braucht, um die Entfernung zwischen axial voneinander beabstandeten Injektionsstufen zurückzulegen. Die Verweilzeit zwischen zwei Stufen kann auf einer Massenbasis zwischen zwei beliebigen Stellen auf der Basis des Gesamtvolumens zwischen den Stellen und dem Volumenstrom berechnet werden, die in Anbetracht der Betriebsart für die Gasturbinenmaschine berechnet werden können. Die Verweilzeit zwischen zwei beliebigen Stellen kann daher als Volumen geteilt durch Volumenstrom berechnet werden, wobei der Volumenstrom der Massendurchsatz durch Dichte ist. Anders ausgedrückt, kann der Volumenstrom als der Massendurchsatz multipliziert mit der Temperatur der Gase multipliziert mit der zutreffenden Gaskonstante geteilt durch den Druck der Gase berechnet werden.

[0054] Dementsprechend wurde ermittelt, dass in Anbetracht der Besorgnis über Emissionspegel, einschliesslich derjenigen von Kohlenmonoxid, die erste stromabwärtige Injektionsstufe nicht näher als 6 Millisekunden (ms) am primären Brennstoff- und Luftinjektionssystem am Kopfende der Brennkammer sein darf. Das heisst, diese Verweilzeit ist die Zeitdauer während einer gewissen Gasturbinenbetriebsart, welche die Verbrennungsströmung braucht, um sich am inneren Strömungsweg entlang von einer ersten Position, die am primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem definiert ist, zu einer zweiten Position, die an der ersten Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems definiert ist, zu bewegen. In diesem Fall sollte die erste Stufe in einer Entfernung hinter dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem positioniert sein, die dem entspricht, dass die erste Verweilzeit wenigstens 6 ms beträgt. Ausserdem wurde ermittelt, dass sich, von einem Standpunkt der NOx-Emissionen betrachtet, die Verzögerung der stromabwärtigen Injektion vorteilhaft auswirkt und dass die zweite stromabwärtige Injektionsstufe weniger als 2 ms vom Brennkammerausgang oder der Brennkammerendebene entfernt positioniert sein sollte. Das heisst, dass diese Verweilzeit die Zeitdauer während einer gewissen Gasturbinenbetriebsart ist, welche die Verbrennungsströmung braucht, um sich am inneren Strömungsweg entlang von einer ersten Position, die an der zweiten Stufe definiert ist, zu einer zweiten Position, die an der Brennkammerendebene definiert ist, zu bewegen. In diesem Fall sollte die zweite Stufe in einer Entfernung vor der Brennkammerendebene positioniert sein, die dem entspricht, dass diese Verweilzeit weniger als 2 ms beträgt.

[0055] Die Fig. 11 bis 14 veranschaulichen ein System mit drei Injektionsstufen. Fig. 11 veranschaulicht axiale Bereiche, innerhalb derer die drei Stufen jeweils positioniert werden können. Gemäss bevorzugten Ausführungsformen, wie in Fig. 11 gezeigt, kann das stromabwärtige Injektionssystem 30 der vorliegenden Erfindung drei axiale Injektionsstufen beinhalten, eine erste Stufe 41, eine zweite Stufe 42 und eine dritte Stufe 43, die hinter der mittleren Brennkammerebene positioniert sind. Spezieller kann die erste Stufe 41 in der Übergangszone 39 positioniert sein, die zweite Stufe 42 kann nahe der Brennkammerendebene 49 positioniert sein und die dritte Stufe kann an oder hinter der Brennkammerendebene 49 positioniert sein. Die Fig. 12 und 14 sehen gewisse bevorzugte Ausführungsformen vor, bei denen jede der drei Injektionsstufen innerhalb dieser Bereiche liegen kann. Wie in Fig. 12 gezeigt, können die erste und die zweite Stufe innerhalb der Übergangszone liegen und die dritte Zone kann nahe der Brennkammerendebene liegen. Wie in Fig. 13 veranschaulicht, kann die erste Stufe innerhalb der Übergangszone liegen, während die zweite und die dritte Stufe am hinteren Rahmen bzw. der ersten Reihe von Statorschaufeln liegen. In gewissen Ausführungsformen, wie oben besprochen, kann die zweite Stufe in den hinteren Rahmen integriert sein, während die dritte Stufe in die Statorschaufeln integriert ist.

[0056] Die vorliegende Erfindung beschreibt Brennstoff- und Luftinjektionsmengen und -durchsätze innerhalb eines stromabwärtigen Injektionssystems, das drei Injektionsstufen beinhaltet. In einer Ausführungsform beinhalten die erste Stufe, die zweite Stufe und die dritte Stufe eine Konfiguration, die einen an der zweiten Stufe eingespritzten Brennstoff auf weniger als 50% eines an der ersten Stufe eingespritzten Brennstoffs begrenzt und einen an der dritten Stufe eingespritzten Brennstoff auf weniger als 50% eines an der ersten Stufe eingespritzten Brennstoffs begrenzt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die erste Stufe, die zweite Stufe und die dritte Stufe eine Konfiguration, die einen an der zweiten Stufe eingespritzten Brennstoff auf zwischen 10% und 50% eines an der ersten Stufe eingespritzten Brennstoffs begrenzt und einen an der dritten Stufe eingespritzten Brennstoff auf zwischen 10% und 50% des an der ersten Stufe eingespritzten Brennstoffs begrenzt. In anderen bevorzugten Ausführungsformen können das primäre Luft- und Brennstoffinjektionssystem und die erste Stufe, die zweite Stufe und die dritte Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems so konfiguriert sein, dass während des Betriebs jedem/jeder die folgenden Anteile einer gesamten Brennstoffzufuhr zugeführt werden können: dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem werden zwischen 50% und 80% zugeführt, der ersten Stufe werden zwischen 20% und 40% zugeführt, der zweiten Stufe werden zwischen 2% und 10% zugeführt und der dritten Stufe werden zwischen 2% und 10% zugeführt. In noch weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind das primäre Luft- und Brennstoffinjektionssystem und die erste Stufe, die zweite Stufe und die dritte Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems so konfiguriert, dass während des Betriebs jedem/jeder die folgenden Anteile einer gesamten Brennkammerluftzufuhr zugeführt werden können: dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem werden zwischen 60% und 85% zugeführt, der ersten Stufe werden zwischen 15% und 35% zugeführt, der zweiten Stufe werden zwischen 1% und 5% zugeführt und der dritten Stufe werden zwischen 0% und 5% zugeführt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können das primäre Luft- und Brennstoffinjektionssystem und die erste Stufe, die zweite Stufe und die dritte Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems so konfiguriert sein, dass während des Betriebs jedem/jeder die folgenden Anteile einer gesamten Brennstoffzufuhr zugeführt werden: dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem werden etwa 65% zugeführt, der ersten Stufe werden etwa 25% zugeführt, der zweiten Stufe werden etwa 5% zugeführt und der dritten Stufe werden etwa 5% zugeführt. In diesem Fall können das primäre Luft- und Brennstoffinjektionssystem und die erste Stufe, die zweite Stufe und die dritte Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems so konfiguriert sein, dass während des Betriebs jedem/jeder die folgenden Anteile einer gesamten Luftzufuhr zugeführt werden: dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem werden etwa 78% zugeführt, der ersten Stufe werden etwa 18% zugeführt, der zweiten Stufe werden etwa 2% zugeführt und der dritten Stufe werden etwa 2% zugeführt.

[0057] Die Fig. 14 bis 19 sehen Ausführungsformen eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung vor, der die Art und Weise beinhaltet, mit der Brennstoffinjektoren in den hinteren Rahmen 29 eingebaut werden können. Der hintere Rahmen 29, wie angegeben, beinhaltet ein Rahmenelement, das die Verbindungsstelle zwischen dem stromabwärtigen Ende der Brennkammer 12 und dem stromaufwärtigen Ende der Turbine 13 bereitstellt.

[0058] Wie in Fig. 14 gezeigt, bildet der hintere Rahmen 29 ein starres Bauelement, das den inneren Strömungsweg abgrenzt oder umrandet. Der hintere Rahmen 29 beinhaltet eine Innenfläche oder Wand 65, die eine Aussenumgrenzung des inneren Strömungswegs definiert. Der hintere Rahmen 29 beinhaltet eine Aussenflache 66, die Bauelemente beinhaltet, durch welche der hintere Rahmen mit der Brennkammer und der Turbine verbunden ist. Durch die Innenwand des hinteren Rahmens 29 hindurch kann eine Anzahl von Auslasslöchern 74 ausgebildet sein. Die Auslasslöcher 74 können zum Verbinden des Brennstoffraums 71 mit dem inneren Strömungsweg 67 konfiguriert sein. Der hintere Rahmen 29 kann zwischen 6 und 20 Auslasslöchern beinhalten, obwohl aber auch mehr oder weniger vorgesehen sein können. Die Auslasslöcher 74 können in Umfangsrichtung um die Innenwand 65 des hinteren Rahmens voneinander beabstandet sein. Wie veranschaulicht, kann der hintere Rahmen 29 eine ringförmige Querschnittsform haben.

[0059] Wie in den Fig. 15 bis 19 gezeigt, kann der hintere Rahmen 29 gemäss der vorliegenden Erfindung einen in ihm ausgebildeten, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Brennstoffräum 71 beinhalten. Wie in Fig. 15 gezeigt, kann der Brennstoff räum 71 ein Brennstoffeinlassloch 72 haben, das durch die Aussenwand 66 des hinteren Rahmens 29 ausgebildet ist und durch welches Brennstoff dem Brennstoffräum 71 zugeführt wird. Das Brennstoffeinlassloch 72 kann somit den Brennstoff räum 71 mit einer Brennstoffzufuhr 77 verbinden. Der Brennstoffraum 77 kann so konfiguriert sein, dass er den Strömungsweg 67 abgrenzt oder vollständig umrandet. Wie gezeigt, kann der Brennstoff, wenn er den Brennstoffräum 71 erreicht hat, dann durch die Auslasslöcher 74 in den inneren Strömungsweg 67 eingespritzt werden. Wie in Fig. 16 gezeigt, kann in gewissen Fällen vor der Zuführung zum Brennstoffräum 71 innerhalb eines Vormischers 84 Luft mit dem Brennstoff vorgemischt werden. Alternativ können Luft und Brennstoff innerhalb des Brennstoffraums 71 zusammengebracht und vermischt werden, wofür in Fig. 17 ein Beispiel veranschaulicht ist. In diesem Fall können Lufteinlasslöcher 73 in der Aussenwand 66 des hinteren Rahmens 29 ausgebildet sein und mit dem Brennstoffräum 71 in Strömungsverbindung stehen. Die Lufteinlasslöcher 73 können in Umfangsrichtung voneinander beabstandet um den hinteren Rahmen 29 angeordnet sein und vom Verdichterauslass, der die Brennkammer in dieser Region umgibt, gespeist werden.

[0060] Wie in Fig. 17 ebenfalls gezeigt wird, können die Auslasslöcher 74 abgeschrägt sein. Dieser Winkel kann relativ zu einer Referenzrichtung sein, die zu einer Verbrennungsströmung durch den inneren Strömungsweg 67 hindurch lotrecht ist. In gewissen bevorzugten Ausführungsformen, wie veranschaulicht, kann die Abschrägung der Auslasslöcher zwischen 0° und 45° zu einer stromabwärtigen Richtung der Verbrennungsströmung betragen. Ausserdem können die Auslasslöcher 74 relativ zu einer Oberfläche der Innenwand 65 des hinteren Rahmens 29 bündig konfiguriert sein, wie in Fig. 17 gezeigt. Alternativ können die Auslasslöcher 74 so konfiguriert sein, dass sie jeweils aus der Innenwand 65 heraus- und in den inneren Strömungsweg 67 hineinragen, wie in Fig. 19 gezeigt.

[0061] Die Fig. 18 und 19 stellen eine alternative Ausführungsform bereit, in welcher eine Anzahl von Rohren 81 zum Durchqueren des Brennstoffraums 71 konfiguriert sind. Jedes der Rohre 81 kann so konfiguriert sein, dass ein erstes Ende mit einem der Lufteinlasslöcher 73 verbunden ist und ein zweites Ende mit einem der Auslasslöcher 74 verbunden ist. In gewissen Ausführungsformen, wie in Fig. 18 gezeigt, beinhalten die an der Innenfläche 65 des hinteren Rahmens ausgebildeten Auslasslöcher 74: a) Luftauslasslöcher 76, die zur Verbindung mit einem der Rohre 81 konfiguriert sind; und b) Brennstoffauslasslöcher 72, die zur Verbindung mit dem Brennstoffräum 71 konfiguriert sind. Diese Auslasslöcher können jeweils an der Innenwand 65 in der Nähe voneinander positioniert sein, um das Vermischen von Luft und Brennstoff nach der Einspritzung in den inneren Strömungsweg 67 zu erleichtern. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in Fig. 18 veranschaulicht, sind die Luftauslasslöcher 76 so konfiguriert, dass sie eine kreisförmige Form haben, und die Brennstoffauslasslöcher 75 sind so konfiguriert, dass sie um die kreisförmige Form der Luftauslasslöcher 76 herum eine Ringform haben. Diese Konfiguration erleichtert ferner das Mischen von Brennstoff und Luft nach der Zuführung zum inneren Strömungsweg 67. Es ist erkennbar, dass die Rohre 81 in gewissen Ausführungsformen einen festen Aufbau haben werden, der verhindert, dass sich ein durch das Rohr 81 bewegendes Fluid mit einem sich durch den Brennstoffräum 71 bewegenden Fluid vermischt, bis die zwei Fluide in den inneren Strömungsweg 67 eingespritzt werden. Alternativ können die Rohre 71, wie in Fig. 19 veranschaulicht, Aussparungen 82 beinhalten, welche das Vormischen von Luft und Brennstoff vor der Injektion in den inneren Strömungsweg 67 ermöglichen. In derartigen Fällen können stromabwärts der Aussparungen 82 turbulentes Strömen und Mischen fördernde Strukturen, z.B. Turbulenzerzeuger 83, aufgenommen sein, so dass die Vormischung verbessert wird.

[0062] Wie der Durchschnittsfachmann erkennt, können die vielen verschiedenen Merkmale und Konfigurationen, die oben in Bezug auf die mehreren beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden, des Weiteren selektiv angewendet werden, um die anderen möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bilden. Um eine gewisse Kürze zu bewahren und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten des Durchschnittsfachmanns werden zwar nicht alle möglichen Iterationen bereitgestellt oder ausführlich besprochen, es ist aber vorgesehen, dass alle von den mehreren Ansprüchen unten oder anderweitig umfassten Kombinationen und möglichen Ausführungsformen Teil der vorliegenden Patentanmeldung bilden. Ausserdem können fachkundige Personen anhand der obigen Beschreibung mehrerer beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen erkennen. Es ist vorgesehen, dass derartige Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen innerhalb der Fähigkeiten des Fachgebiets ebenfalls von den angehängten Ansprüchen abgedeckt werden. Ferner sollte es offensichtlich sein, dass das Vorangehende sich nur auf die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Patentanmeldung bezieht und dass hierin zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und Umfang der Patentanmeldung, wie sie von den folgenden Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert wird, abzuweichen.

[0063] Eine Gasturbine, die enthält: eine mit einer Turbine gekoppelte Brennkammer, die miteinander einen inneren Strömungsweg definieren, wobei sich der innere Strömungsweg an einer Längsachse von einem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem, das ein vorderes Ende definiert, durch eine Verbindungsstelle, an der die Brennkammer mit der Turbine verbunden ist, und durch eine Reihe von Statorschaufeln in der Turbine, die ein hinteres Ende definiert, nach hinten erstreckt; und ein stromabwärtiges Injektionssystem, das zwei Injektionsstufen, eine erste Stufe und eine zweite Stufe, enthält, die entlang der Längsachse des inneren Strömungswegs axial voneinander beabstandet sind. Die erste Stufe und die zweite Stufe enthalten jeweils mehrere Injektoren, die zur Injektion eines Luft- und Brennstoffgemisches in den inneren Strömungsweg konfiguriert sind.

Claims

1. Gasturbine, die beinhaltet: eine Brennkammer, die mit einer Turbine gekoppelt ist, die miteinander einen inneren Strömungsweg definieren, wobei der innere Strömungsweg an einer Längsachse von einem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem, das ein vorderes Ende definiert, durch eine Verbindungsstelle, an der die Brennkammer mit der Turbine verbunden ist, und durch eine Reihe von Statorschaufeln in der Turbine, die ein hinteres Ende definiert, nach hinten verläuft, und ein stromabwärtiges Injektionssystem, das zwei Injektionsstufen, eine erste Stufe und eine zweite Stufe, enthält, die entlang der Längsachse des inneren Strömungswegs axial voneinander beabstandet sind, wobei die erste Stufe und die zweite Stufe jeweils mehrere Injektoren beinhalten, die zur Injektion eines Gemisches von Luft und Brennstoff in den inneren Strömungsweg konfiguriert sind.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, wobei eine erste Verweilzeit eine Zeitdauer während einer vorbestimmten Gasturbinenbetriebsart umfasst, welche die Verbrennungsströmung benötigt, um entlang des inneren Strömungswegs von einer ersten Position, die an dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem definiert ist, zu einer zweiten Position, die an der ersten Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems definiert ist, zu strömen; wobei die erste Stufe in einer Entfernung hinter dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem positioniert ist, die dem entspricht, dass die erste Verweilzeit wenigstens 6 Millisekunden beträgt; und/oder wobei eine zweite Verweilzeit eine Zeitdauer während der vorbestimmten Gasturbinenbetriebsart umfasst, welche die Verbrennungsströmung benötigt, um entlang des inneren Strömungswegs von einer ersten Position, die an der zweiten Stufe definiert ist, zu einer zweiten Position, die an einer Brennkammerendebene definiert ist, zu strömen; wobei die zweite Stufe in einer Entfernung vor der Brennkammerendebene positioniert ist, welche dem entspricht, dass die zweite Verweilzeit weniger als 2 Millisekunden beträgt.

3. Gasturbine nach Anspruch 2, wobei die zweite Stufe hinter der ersten Stufe positioniert ist; wobei der innere Strömungsweg unmittelbar hinter dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem eine primäre Verbrennungszone hat, die von einer umgebenden Auskleidung definiert ist, und der innere Strömungsweg unmittelbar hinter der Auskleidung eine Übergangszone hat, die von einem umgebenden Übergangsstück definiert ist; und wobei das Übergangsstück konfiguriert ist, um die primäre Verbrennungszone in Strömungsverbindung mit der Turbine zu koppeln, wobei das Übergangsstück eine Form hat, die von einer zylindrischen Querschnittsform der Auskleidung in eine ringförmige Querschnittsform der Turbine übergeht.

4. Gasturbine nach Anspruch 2, wobei das stromabwärtige Injektionssystem drei Injektionsstufen, die erste Stufe, die zweite Stufe und eine dritte Stufe, enthält, wobei die dritte Stufe hinter der zweiten Stufe positioniert ist; und/oder wobei die dritte Stufe an der Reihe von Statorschaufeln in der Turbine positioniert ist; und wobei die dritte Stufe mehrere Injektoren beinhaltet, die zur Injektion eines Luft- und Brennstoffgemischs in den inneren Strömungsweg konfiguriert sind.

5. Gasturbine nach Anspruch 4, wobei die Injektoren der dritten Stufe in die Reihen von Statorschaufeln integriert sind.

6. Gasturbine nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasturbinenbetriebsart eine Grundlastbetriebsart aufweist; und/oder wobei die Berechnung der Verweilzeit auf a) einem Volumen durch einen relevanten Teil des inneren Strömungswegs der Brennkammer und b) einem Gesamtvolumenstrom durch den relevanten Teil des inneren Strömungswegs bei der Gasturbinenbetriebsart basiert.

7. Gasturbine nach Anspruch 1, wobei die erste Stufe hinter einem axialen Mittelpunkt positioniert ist, der entlang des inneren Strömungswegs zwischen dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem und der Verbindungsstelle definiert ist; und wobei die zweite Stufe nach hinten von der ersten Stufe beabstandet ist; und/oder wobei der innere Strömungsweg unmittelbar hinter dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem eine primäre Verbrennungszone hat, die von einer umgebenden Auskleidung definiert ist, und der innere Strömungsweg unmittelbar hinter der Auskleidung eine Übergangszone hat, die von einem umgebenden Übergangsstück definiert wird; wobei das Übergangsstück konfiguriert ist, um die primäre Verbrennungszone in Strömungsverbindung mit der Turbine zu koppeln, wobei das Übergangsstück eine Form hat, die von einer zylindrischen Querschnittsform der Auskleidung in eine ringförmige Querschnittsform der Turbine übergeht; wobei das Übergangsstück einen hinteren Rahmen aufweist, der die Verbindungsstelle zwischen der Brennkammer und der Turbine bildet; und wobei die erste Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems innerhalb der Übergangszone positioniert ist und die zweite Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems nach hinten von der ersten Stufe beabstandet ist.

8. Gasturbine nach Anspruch 7, wobei die Injektoren der ersten Stufe in Umfangsrichtung an einer gemeinsamen Injektionsebene gruppiert sind, wobei die gemeinsame Injektionsebene in etwa senkrecht relativ zu der Längsachse des inneren Strömungswegs ausgerichtet ist; und wobei die Injektoren der zweiten Stufe in Umfangsrichtung an einer gemeinsamen Injektionsebene gruppiert sind, wobei die gemeinsame Injektionsebene in etwa senkrecht relativ zu der Längsachse des inneren Strömungswegs ausgerichtet ist; und/oder wobei die gemeinsame Injektionsebene der zweiten Stufe an dem hinteren Rahmen positioniert ist und wobei die Injektoren der zweiten Stufe in den hinteren Rahmen integriert sind; und/oder wobei die gemeinsame Injektionsebene der ersten Stufe nach hinten von einem stromaufwärtigen Ende des Übergangsstücks beabstandet ist; wobei die gemeinsame Injektionsebene der zweiten Stufe nach hinten von dem hinteren Rahmen beabstandet ist; und/oder wobei die gemeinsame Injektionsebene der zweiten Stufe an der Reihe von Statorschaufeln in der Turbine positioniert ist; und wobei die Injektoren der zweiten Stufe in die Reihe von Statorschaufeln integriert sind; und/oder wobei die gemeinsame Injektionsebene der ersten Stufe an dem hinteren Rahmen der Brennkammer positioniert ist und die gemeinsame Injektionsebene der zweiten Stufe an der Reihe von Statorschaufeln in der Turbine positioniert ist; wobei die Injektoren der ersten Stufe in den hinteren Rahmen integriert sind und die Injektoren der zweiten Stufe in die Reihe von Statorschaufeln integriert sind.

9. Gasturbine nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das stromabwärtige Injektionssystem eine dritte Stufe aufweist, die innerhalb des inneren Strömungswegs positioniert ist, wobei die dritte Stufe zur Injektion von sowohl Luft als auch Brennstoff in den inneren Strömungsweg konfiguriert ist; wobei die zweite Stufe und die dritte Stufe entlang der Längsachse des inneren Strömungswegs jeweils axial von der anderen beabstandet sind, wobei die dritte Stufe eine axiale Position aufweist, die sich hinter der zweiten Stufe befindet; und/oder wobei der innere Strömungsweg unmittelbar hinter dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem eine primäre Verbrennungszone hat, die von einer umgebenden Auskleidung definiert ist, und der innere Strömungsweg unmittelbar hinter der Auskleidung eine Übergangszone hat, die von einem umgebenden Übergangsstück definiert ist; wobei das Übergangsstück konfiguriert ist, um die primäre Verbrennungszone in Strömungsverbindung mit einem Einlass der Turbine zu koppeln, während es eine Strömung durch das Übergangsstück von einem ungefähr zylindrischen Querschnittsbereich der Auskleidung in einen kreisringförmigen Querschnittsbereich des Einlasses der Turbine übergehen lässt; wobei das Übergangsstück einen hinteren Rahmen auf-weist, der die Verbindungsstelle zwischen der Brennkammer und dem Einlass der Turbine bildet; und wobei die erste Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems innerhalb des Übergangsstücks positioniert ist und/oder wobei die zweite Stufe an dem hinteren Rahmen der Brennkammer positioniert ist und die dritte Stufe an der Reihe von Statorschaufeln in der Turbine positioniert ist, und wobei die zweite Stufe in den hinteren Rahmen integriert ist und die dritte Stufe in die Reihe von Statorschaufeln integriert ist.

10. Gasturbine, die beinhaltet: eine Brennkammer, mit einer Turbine gekoppelt ist, die miteinander einen inneren Strömungsweg definieren, wobei der innere Strömungsweg an einer Längsachse von einem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem, das ein vorderes Ende definiert, durch eine Verbindungsstelle, an der die Brennkammer mit der Turbine verbunden ist, und durch eine Reihe von Statorschaufeln in der Turbine, die ein hinteres Ende definiert, nach hinten verläuft; und ein stromabwärtiges Injektionssystem, das zwei Injektionsstufen, eine erste Stufe und eine zweite Stufe, enthält, die entlang der Längsachse des inneren Strömungswegs axial voneinander beabstandet sind, wobei die erste Stufe und die zweite Stufe jeweils mehrere Injektoren beinhalten, die zur Injektion eines Gemisches von Luft und Brennstoff in den inneren Strömungsweg konfiguriert sind; wobei eine erste Verweilzeit eine Zeitdauer während einer vorbestimmten Gasturbinenbetriebsart umfasst, welche die Verbrennungsströmung benötigt, um entlang des inneren Strömungswegs von einer ersten Position, die an dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem definiert ist, zu einer zweiten Position, die an der ersten Stufe des stromabwärtigen Injektionssystems definiert ist, zu strömen, und wobei eine zweite Verweilzeit eine Zeitdauer während der vorbestimmten Gasturbinenbetriebsart umfasst, welche die Verbrennungsströmung benötigt, um entlang des inneren Strömungsweg von einer ersten Position, die an der zweiten Stufe definiert ist, zu einer zweiten Position, die an einer Brennkammerendebene definiert ist, zu strömen; und wobei die erste Stufe in einer Entfernung hinter dem primären Luft- und Brennstoffinjektionssystem positioniert ist, die dem entspricht, dass die erste Verweilzeit wenigstens 6 Millisekunden beträgt, und wobei die zweite Stufe in einer Entfernung vor der Brennkammerendebene positioniert ist, welche dem entspricht, dass die zweite Verweilzeit weniger als 2 Millisekunden beträgt.