DE102004059318A1

DE102004059318A1 - Katalytische Verbrennungseinrichtung und Verfahren, um verschiedene Emissionen im Wesentlichen zu eliminieren

Info

Publication number: DE102004059318A1
Application number: DE102004059318A
Authority: DE
Inventors: Kenneth M. Northridge Sprouse; Shahram Woodland Hills Farhangi; Michael P. Simi Valley Moriarty; David R. Simi Valley Matthews
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: US7117674B2; DE102004059318B4; US20060156729A1

Abstract

Ein Verbrennungssystem für eine gasgetriebene Turbine, das einen Wärmetauscher und einen Katalysator verwendet, um einen Brennstoff ohne die Emission unerwünschter chemischer Verbindungen zu verbrennen. Eine gasgetriebene Turbine erfordert expandierende Gase, um die Turbinenflügel anzutreiben. Brennstoff wird verbrannt, um die erforderlichen Gase zu erzeugen. Ein Katalysator wird verwendet, um die Verbrennungstemperatur des Brennstoffs zu verringern. Der Katalysator ist an einem Satz von Rohren in dem Wärmetauscher angeordnet, derart, dass ein Teil der thermischen Energie auf die Luft übertragen werden kann, bevor sie mit dem Katalysator in Eingriff gerät. Nach dem Kontakt mit dem Katalysator steigert der verbrannte Brennstoff die Temperatur der Luft auf eine Selbstzündungstemperatur, so dass keine andere Zündquelle notwendig ist, um zusätzlichen Brennstoff zu verbrennen.

Description

Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortsetzungsanmeldung der US-Patentanmeldung Nr. 10/397,394 mit dem Titel "A CATALYTIC COMBUSTOR AND METHOD FOR SUBSTANTIALLY ELIMINATING NITROUS OXIDE EMISSIONS", eingereicht am 26 März 2003, bei der es sich um eine Teilfortsetzungsanmeldung der US-Patentanmeldung Nr. 10/189,711 mit dem Titel "INJECTOR APPARATUS AND METHOD FOR CUMBUSTING A FUEL FOR A GAS POWERED TURBINE", eingereicht am 3. Juli 2002, und der US-Patentanmeldung Nr. 10/120,268 mit dem Titel "A CATALYTIC COMBUSTOR AND METHOD FOR SUBSTANTIALLY ELIMINATING NITROUS OXIDE EMISSIONS", eingereicht am 10. April 2002, handelt. Die Offenbarungen der obigen Anmeldungen sind vorliegend durch Bezugnahme enthalten.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft generell gasgetriebene Turbinen zu Erzeugen von Antriebsleistung und betrifft insbesondere ein Verbrennungssystem mit geringen Distickstoffoxid-Emissionen ("nitrous oxide emission") für gasgetriebene Turbinensysteme.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es ist im Stand der Technik generell bekannt, Turbinen mit Gasen anzutreiben, die aus Verbrennungskammern ausgestoßen werden. Diese gasgetriebenen Turbinen können Antriebsleistung für viele Anwendungen, wie erdgestützte Kraftwerke, erzeugen. Bei der gasgetriebenen Turbine wird ein Brennstoff in einer sauerstoffreichen Umgebung verbrannt. Der Brennstoff kann ein beliebiger geeigneter Brennstoff sein, wie eine Flüssigkeit oder ein Gas. Beispielhafte Brennstoffe beinhalten Kohlenwasserstoffverbindungen (beispielsweise Methan oder Kerosin) oder eine Wasserstoffverbindung. Generell können diese Verbrennungssysteme unerwünschte Verbindungen, wie Distickstoffoxid- bzw. Stickstoffoxid-Verbindungen ("nitrous oxide compounds", NOX) und Kohlenstoff enthaltende Verbindungen ausstoßen. Es ist generell wünschenswert, verschiedene Emissionen soweit wie möglich zu verringern, so dass ausgewählte Verbindungen nicht in die Atmosphäre eintreten. Es ist insbesondere wünschenswert geworden, die NOX-Emissionen auf einen substantiell niedrigen Betrag zu reduzieren. Es ist generell wünschenswert, dass Emissionen von NOX nahe Null sind, und sie werden als nahezu Null oder Null akzeptiert, wenn sie gleich oder kleiner sind als etwa ein Teil pro Million ("part per million") Volumen Trockengewichtemissionen.

In einer Verbrennungskammer wird Brennstoff, wie Methan, in atmosphärischer Luft verbrannt, wobei die Temperaturen generell oberhalb von 1427 °C (etwa 2600 °F) liegen. Wenn die Temperaturen oberhalb von 1427 °C liegen, erfahren die Stickstoff- und Sauerstoffverbindungen, die beide in atmosphärischer Luft vorhanden sind, chemische Reaktionen, die Distickstoffoxid-Verbindungen erzeugen. Die von den hohen Temperaturen bereitgestellte Energie ermöglicht das Aufbrechen ("break down") von Distickstoff und Disauerstoff, insbesondere bei Vorhandensein anderer Materialien, wie Metalle, um so NOX-Verbindungen zu erzeugen wie NO₂ und NO.

Es ist versucht worden, die NOX-Verbindungen zu reduzieren, indem die Luft anfangs erwärmt wird, bevor sie in die Verbrennungskammern eintritt, und zwar auf eine Selbstzündungs-Temperatur ("auto-ignition temperature"). Wenn die Luft in die Verbrennungskammer mit einer Selbstzündungs-Temperatur eintritt, ist keine Flamme notwendig, um den Brennstoff zu verbrennen. Selbstzündungs-Temperaturen sind generell niedriger als Pilotflammentemperaturen oder die Temperaturen innerhalb von Umlaufflammenhaltezonen. Wenn in der Verbrennungskammer keine Flamme erforderlich ist, ist die Verbrennungskammertemperatur niedriger, zumindest lokal, und verringert die NOX-Emissionen. Ein derartiges Verfahren besteht darin, den Brennstoff in der Luft mitzureißen, bevor er die Verbrennungskammer erreicht. Diese verunreinigte Luft, d.h. Luft, die den Brennstoff beinhaltet, wird dann in einem Vorbrenner gezündet, um die Temperatur der Luft zu erhöhen, bevor sie die Hauptverbren nungskammer erreicht. Dies verringert NOX-Emissionen beträchtlich. Nichtsdestotrotz sind NOX-Emissionen dennoch vorhanden, und zwar aufgrund der anfänglichen Vorverbrennung. Es ist daher wünschenswert, diese Vorverbrennung zu verringern oder zu eliminieren, um so im Wesentlichen sämtliche NOX-Emissionen zu eliminieren.

Obgleich die Luft erwärmt wird, bevor sie in die Hauptverbrennungskammer eintritt, kann sie dennoch in der Verbrennungskammer gezündet werden, um den verbleibenden Brennstoff zu verbrennen. Daher wird eine zusätzliche Flamme oder ein zusätzlicher Lichtbogen verwendet, um den verbleibenden Brennstoff in der Hauptverbrennungskammer zu verbrennen. Dies verringert die Temperatur der Zündeinrichtung, erhöht jedoch dennoch die Temperatur der Verbrennungskammer. Zusätzlich hierzu wird der Luft kein Brennstoff hinzugegeben, wenn sie in die Verbrennungskammer eintritt. Stattdessen ist der gesamte Brennstoff bereits in der Luft mitgerissen worden, bevor sie in die Verbrennungskammer eintritt, um verbrannt zu werden. Dies verringert die Steuerung bzw. Kontrolle darüber, wo die Verbrennung stattfindet, und über die Temperatur in der Verbrennungskammer in starkem Maße.

Weitere Ansätze, um NOX-Emissionen zu verringern, beinhalten das Anordnen von Katalysatoren in katalytischen Konvertern auf der Emissionsseite der Turbinen. Diese wandeln die NOX-Verbindungen um in wünschenswertere Verbindungen wie Distickstoff und Disauerstoff. Diese Konverter auf Emissionsseite sind jedoch nicht zu einhundert Prozent effizient, wodurch sie weiterhin zulassen, dass NOX-Emissionen in die Atmosphäre eintreten. Die Emissionskonverter verwenden auch Ammoni ak-NH₃-Gas, um die Reduktion von NOX auf N₂ hervorzurufen. Ein gewisser Teil dieses Ammoniaks wird an die Atmosphäre abgegeben. Ferner sind diese Wandler teuer und erhöhen die Komplexität der Turbine und der Leistungserzeugungssysteme. Es ist daher wünschenswert, die Notwendigkeit nach katalytischen emissionsseitigen Konvertern zu eliminieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Verbrennungseinrichtung und eine Verbrennungskammer für eine gasgetriebene Turbine gerichtet. Ein Wärmetauscher und ein Katalysator verbrennen einen ersten Abschnitt bzw. einen ersten Teil von Brennstoff, der mit Luft vermischt ist, und zwar ohne die Erzeugung von unerwünschten chemischen Arten bzw. Verbindungen. Die gasgetriebene Turbine erfordert expandierende Gase, um die Turbinenflügel oder -blätter anzutreiben. Brennstoff wird generell verbrannt, um die erforderlichen Gase zu erzeugen. Ein Katalysator wird verwendet, um die Verbrennungstemperatur des Brennstoffes zu verringern. Der Katalysator wird in einem Satz von Rohren in einem Wärmetauscher angeordnet, derart, dass ein Abschnitt bzw. Teil der thermischen Energie auf die Luft übertragen werden kann, bevor diese an dem Katalysator angreift. Nach dem Zusammentreffen mit dem Katalysator erhöht der Brennstoff, der verbrannt wurde, die Temperatur der Luft auf eine Selbstzündungs-Temperatur, so dass keine weitere Zündquelle notwendig ist, um zusätzlichen Brennstoff zu verbrennen, der später hinzugegeben wird. Daher tritt die Luft, wenn sie aus dem Wärmetauscher austritt, in eine Hauptverbrennungskammer ein, wird mit einem zweiten Abschnitt bzw. Teil von Brennstoff vermischt, wobei sie sich von selbst entzündet und verbrennt.

Gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Verbrennungssystem zur Verwendung in einer gasgetriebenen Turbine, die einen Brennstoff in Anwesenheit von Luft verbrennt, während Distickstoffoxid-Emissionen im Wesentlichen eliminiert werden, offenbart. Das System weist einen Vorheizer auf, um komprimierte Luft zu erwärmen, die hypergolische Luft bilden kann. Eine Injektorplatte spritzt einen Brennstoff in die hypergolische Luft ein. Ein Injektorport, definiert durch die Injektorplatte, stellt den Brennstoff der hypergolischen Luft bereit, bevor ein wesentlicher Teil des Brennstoffes verbrennt. Im Wesentlichen der gesamte Brennstoff, der durch den Injektorport bereitgestellt wird, erreicht seine hypergolische Temperatur im Wesentlichen zur gleichen Zeit.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine gasgetriebene Turbine offenbart, die eine Verbrennungseinrichtung aufweist. Die gasgetriebene Turbine weist einen Kompressor auf, der komprimierte atmosphärische Luft erzeugt, um ein Oxidationsmittel für die gasgetriebene Turbine bereitzustellen. Ein Verbrennungssystem mischt und verbrennt einen Brennstoff, der in die komprimierte atmosphärische Luft eingespritzt ist, um ein expandierendes Gas zu erzeugen. Ein Turbinenflügel wird von den expandierenden Gasen angetrieben.

Das Verbrennungssystem kann einen Vorheizbereich, eine erste Brennstoffleitung, eine zweite Brennstoffleitung und ein Injektorsystem aufweisen. Die erste Brennstoffleitung führt einen ersten Teil von Brennstoff der komprimierten atmosphärischen Luft zu, die in dem Vorheizbereich verbrannt wird, um die komprimierte atmosphärische Luft auf eine hypergolische Tempe ratur zu erwärmen, um so hypergolische Luft zu erzeugen. Die zweite Brennstoffleitung führt einen zweiten Teil des Brennstoffs der hypergolischen Luft zu. Das Injektorsystem stellt den zweiten Teil des Brennstoffs der hypergolischen Luft zur Verfügung, bevor irgendein wesentlicher Teil des zweiten Teils des Brennstoffs verbrennt. Zusätzlich hierzu verbrennt im Wesentlichen der gesamte zweite Teil des Brennstoffs im Wesentlichen zur gleichen Zeit, derart, dass die Turbine im Wesentlichen keine Distickstoffoxid-Verbindungen emittiert.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffes für eine gasgetriebene Turbine in Anwesenheit von atmosphärischer Luft offenbart, und zwar während die Emission von Distickstoffoxid-Verbindungen im Wesentlichen eliminiert wird. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines Vorheizers. Eine erste Brennstoff-Luft-Mischung wird gebildet, indem ein erster Teil des Brennstoffs und die Luft gemischt werden. Ein Selbstzündungs-Luftstrom wird erzeugt, indem die erste Brennstoff-Luft-Mischung verbrannt wird. Ein zweiter Teil des Brennstoffs wird dann dem Selbstzündungs-Luftstrom hinzugegeben. Der zweite Teil des Brennstoffs wird dann mit dem Selbstzündungs-Luftstrom vermischt, bevor im Wesentlichen irgendein Teil des zweiten Teils des Brennstoffes verbrennt.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verbrennungssystem zur Verwendung in einer Turbine, das einen Brennstoff in der Anwesenheit von Luft verbrennen kann, offenbart, wobei Distickstoffoxid-Emissionen im Wesentlichen eliminiert werden. Das Verbrennungssystem weist einen Wärmetauscher auf. Der Wärmetauscher weist wenigstens ein Katalysatorrohr auf, das sich entlang einer ersten Achse erstreckt, und weist wenigstens ein Kühlrohr auf, das sich entlang einer zweiten Achse erstreckt. Die Achsen des Katalysatorrohrs und des Kühlrohrs liegen generell parallel zueinander. Das Katalysatorrohr steht in thermischem Kontakt zu dem Kühlrohr. Die Luft ist dazu ausgelegt, dass sie zuerst durch das Kühlrohr und dann durch das Katalysatorrohr strömt. Ein Katalysator kann im Inneren des Katalysatorrohrs angeordnet sein. Der Katalysator kann den Brennstoff mit der Luft verbrennen. Die Luft ist dazu ausgelegt, durch das Katalysatorrohr und durch das Kühlrohr hindurch und/oder daran vorbei zu strömen, wobei die Luft thermische Energie von dem Katalysatorrohr empfängt, wenn die Luft bspw. durch das Kühlrohr hindurch und an dem Katalysatorrohr vorbei strömt.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist ein Turbinensystem auf: einen Kompressor, der dazu ausgelegt ist, komprimierte atmosphärische Luft zu erzeugen, ein Verbrennungssystem zum Mischen und Verbrennen eines Brennstoffes in der komprimierten atmosphärischen Luft, um expandierende Gase zu erzeugen, und eine Turbine, die von den expandierenden Gasen angetrieben wird. Das Verbrennungssystem weist eine erste Brennstoff-Zuführeinrichtung zum Zuführen von Brennstoff zu der komprimierten atmosphärischen Luft auf. Das Verbrennungssystem weist ferner einen Wärmetauscher mit wenigstens einem Katalysatorrohr auf, das einen Katalysator aufweist, der an der Innenseite des Katalysatorrohrs beschichtet ist, wobei die komprimierte Luft und der Brennstoff durch das Katalysatorrohr hindurch strömen. Eine zweite Brennstoff-Zuführeinrichtung führt Brennstoff zu der komprimierten atmosphärischen Luft zu, nach dem die komprimierte atmosphärische Luft durch das Katalysatorrohr hindurch gegangen ist.

Verschiedene Ausführungsformen beinhalten ein Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffes in Anwesenheit von atmosphärischer Luft, während die Emission von Distickstoffoxid-Verbindungen im Wesentlichen eliminiert wird. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines Wärmetauschers mit hohlen Rohren; das Anordnen eines Katalysators an wenigstens einem Abschnitt des Inneren der hohlen Rohre; das Bilden einer ersten Brennstoff-Luft-Mischung durch Mischen eines ersten Teils des Brennstoffs und der Luft; das Erzeugen eines Selbstzündungs-Luftstromes durch Verbrennen der ersten Brennstoff-Luft-Mischung, indem die erste Brennstoff-Luft-Mischung mit dem Katalysator in Kontakt gebracht wird; und das Erwärmen der Luft durch Übertragen eines Teils der thermischen Energie von den hohlen Rohren auf die Luft. Zusätzlicher Brennstoff kann in dem Selbstzündungs-Luftstrom verbrannt werden, und zwar ohne die Anwendung einer externen Zündeinrichtung.

Weitere Gebiete der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehend bereitgestellten detaillierten Beschreibung. Es versteht sich, dass die detaillierte Beschreibung, obgleich sie verschiedene Ausführungsformen der Erfindung angibt, lediglich dem Zwecke der Darstellung bzw. Erläuterung dient und den Schutzbereich der Erfindung nicht beschränken soll.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ergibt sich vollständiger aus der detaillierten Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, in der:
1 ist eine perspektivische Ansicht einer gasgetriebenen Turbine mit einer Verbrennungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht einer einzelnen Verbrennungseinrichtung;
3 ist eine detaillierte perspektivische Teilquerschnittsansicht eines Abschnittes des Wärmetauschers;
4 ist eine vereinfachte diagrammartige Ansicht der Luftströmung durch die Verbrennungskammer hindurch, und zwar gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine detaillierte perspektivische Teilquerschnittsansicht eines Abschnittes des Wärmetauschers gemäß einer zweiten Ausführungsform;
5a ist eine detaillierte Ansicht eines Abschnittes des Vormischers gemäß der zweiten Ausführungsform;
5b ist eine vereinfachte diagrammartige Ansicht eines theoretischen Luftstromes in der Verbrennungseinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform;
6 ist eine detaillierte Querschnittsansicht eines Abschnittes der Hauptinjektoren;
7a ist eine detaillierte Seitenansicht der stromabliegenden Seite der Hauptinjektorplatte gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7b ist eine detaillierte Querschnittsansicht der Hauptinjektorplatte entlang der Linie 7b in 7a;
8a ist eine detaillierte Seitenansicht einer stromabliegenden Seite der Hauptinjektorplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8b ist eine detaillierte Querschnittsansicht der Injektorplatte entlang der Linie 8b in 8a;
9 ist eine detaillierte perspektivische Teilquerschnittsansicht eines Abschnittes des Wärmetauschers gemäß einer zweiten Ausführungsform;
10 ist eine Verbrennungseinrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform; und
11 ist eine detaillierte perspektivische Teilquerschnittsansicht einer Injektorplatte gemäß der Ausführungsform der 10.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen ist prinzipiell lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch in keiner Weise einschränken. Genauer gesagt können die nachstehende Verbrennungseinrichtung bzw. die nachstehenden Systeme, obgleich sie im Zusammenhang mit einer terrestrischen bzw. erdgestützten Gasturbine beschrieben werden, jeweils einzeln und/oder sämtlich auch in anderen Systemen verwendet werden. Ferner können der Vormischer und der Wärmetauscher in anderen Systemen als Turbinensystemen verwendet werden.
In 1 ist eine gasgetriebene Turbine gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die gasgetriebene Verbrennungsturbine 10 kann jeden beliebigen geeigneten Brennstoff verwenden, der verbrannt werden und sich ausdehnen kann, um Abschnitte bzw. Teile der gasgetriebenen Turbine 10 zu bewegen, um so Leistung zu erzeugen. Die gasgetriebene Turbine 10 kann auch einen Kompressor 12 aufweisen, der atmosphärische Luft in die gasgetriebene Turbine 10 zwingt. Ferner weist die gasgetriebene Turbine 10 einige Verbrennungskammern 14 zum Verbrennen von Brennstoff auf. Der verbrannte Brennstoff wird dazu verwendet, um eine Turbine 15 anzutreiben, die Turbinenblätter oder -flügel 16 aufweist, die in der Turbine 15 axial versetzt angeordnet sind. Generell ist eine Vielzahl von Turbinenflügeln 16 vorhanden, die tatsächli che Anzahl hängt jedoch davon ab, welche Leistung die gasgetriebene Turbine 10 zu erzeugen hat. Aus Gründen einer klaren Darstellung ist nur ein einzelner Turbinenflügel gezeigt.
Generell nimmt die gasgetriebene Turbine 10 atmosphärische Luft auf, verbrennt einen Brennstoff darin, der die Turbinenflügel 16 antreibt. Luft kann eingesogen und mit dem Kompressor 12 komprimiert, der generell eine Vielzahl von konzentrischen Flügeln aufweist, die entlang der axialen Länge des Kompressors 12 progressiv kleiner werden bzw. kleiner wachsen. Die Flügel in dem Kompressor 12 werden alle mittels einer einzelnen Achse angetrieben. Die unter hohem Druck stehende Luft tritt dann in die Verbrennungskammern 14 ein, in denen Brennstoff hinzugegeben und verbrannt wird. Sobald der Brennstoff verbrannt ist, expandiert er aus der Verbrennungskammer 14 heraus und greift an den Turbinenflügeln 16 an, was aufgrund aerodynamischer und hydrodynamischer Kräfte die Turbinenflügel 16 in Drehung versetzt. Die Gase bilden einen Ring, der die Turbinenflügel 16 in Drehung versetzt, die wiederum an einer Welle (nicht gezeigt) angebracht sind. Generell sind mindestens zwei Turbinenflügel 16 vorhanden. Einer oder mehrere der Turbinenflügel 16 greifen an der gleichen Welle an, an der auch der Kompressor 12 angreift.
Die gasgetriebene Turbine 10 ist selbstangetrieben, da die Drehung der Turbinenflügel 16 auch den Kompressor 12 antreibt, um Luft zum Einführen in die Verbrennungskammern 14 zu komprimieren. Weitere Turbinenflügel 16 sind an einer zweiten Welle 17 angebracht, die sich aus der gasgetriebenen Turbine 10 heraus erstreckt, um ein externes Gerät anzutreiben. Nachdem die Gase sich durch die Turbinenflügel 16 hindurch erweitert haben, werden sie über einen Auslassport 18 ausgestoßen. Es versteht sich, dass die gasgetriebenen Turbinen für viele Anwendungen gebraucht werden, wie Maschinen bzw. Motoren für Fahrzeuge und Flugzeuge, oder zur Leistungserzeugung in einer erdgestützten gasgetriebenen Turbine 10.
Die Gase, die aus der gasgetriebenen Turbine 10 ausgestoßen werden, enthalten viele unterschiedliche chemische Verbindungen, die während der Verbrennung der atmosphärischen Luft in den Verbrennungskammern 14 erzeugt werden. Wenn lediglich reiner Sauerstoff und reiner Kohlenwasserstoff-Brennstoff verbrannt würden, und zwar absolut vollständig und stöchiometrisch, dann würden die Auslassgase lediglich Kohlendioxid und Wasser enthalten. Atmosphärische Luft besteht jedoch nicht zu 100 % aus reinem Sauerstoff und enthält viele andere Verbindungen, wie Stickstoff und andere Spurenverbindungen. Daher können in der hochenergetischen Umgebung der Verbrennungskammern 14 viele unterschiedliche Verbindungen erzeugt werden. All diese Verbindungen treten aus dem Auslassport 18 aus.
Es ist im Stand der Technik generell bekannt, dass ein Äquivalenzverhältnis bestimmt wird durch Teilen des tatsächlichen Verhältnisses von Brennstoff und Luft durch ein stöchiometrisches Verhältnis von Brennstoff zu Luft (bei dem kein Überschuss eines Ausgangsmaterials vorliegt). Daher würde eine vollständig effiziente Verbrennung von reinem Brennstoff und Sauerstoffluft einem Äquivalenzverhältnis von eins gleichen. Obgleich aus ökonomischen Gründen atmosphärische Luft in einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff bevorzugt sein kann, versteht sich, dass andere Oxidationsmittel und Brennstoffe vorge sehen werden können. Die Luft stellt einfach ein Oxidationsmittel für den Brennstoff bereit.
Es versteht sich, dass die gasgetriebene Turbine 10 mehr als eine Verbrennungskammer 14 aufweisen kann. Jede Bezugnahme auf lediglich eine Verbrennungskammer 14 dient vorliegend ausschließlich der Klarheit der nachstehenden Erörterung. Die vorliegende Erfindung kann mit jedem beliebigen Oxidationsmittel oder Brennstoff verwendet werden, der verwendet wird, um die gasgetriebene Turbine 10 anzutreiben. Darüber hinaus kann die Verbrennungseinrichtung 14 jeden geeigneten Brennstoff kombinieren. Luft ist lediglich ein beispielhaftes Oxidationsmittel und Kohlenwasserstoffe sind ein beispielhafter Brennstoff.
Der Brennstoff, der in der gasgetriebenen Turbine 10 verbrannt werden kann, kann jeder beliebige geeignete Brennstoff sein. Der Brennstoff kann flüssig oder gasförmig sein, in Abhängigkeit von verschiedenen Randbedingungen und Anwendungsfällen. Zusätzlich hierzu kann der Brennstoff jedes beliebige Material sein, das in einem ausgewählten Oxidationsmittel, wie der Sauerstoff oder atmosphärische Luft, verbrannt werden kann. Beispielsweise kann der Brennstoff ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff sein, wie Methan, Kerosin, „Synthesis" und andere geeignete Kohlenwasserstoff-Brennstoffe. Ferner kann der Brennstoff Wasserstoff bzw. eine Wasserstoffverbindung sein, oder andere geeignete Brennstoffe. Der Wasserstoff kann auf beliebige geeignete Art und Weise gebildet sein und der gasbetriebenen Turbine 10 bereit gestellt werden, um in dem Oxidationsmittel verbrannt zu werden, um die Turbinenflügel anzutreiben.
In 2 ist eine beispielhafte Verbrennungskammer 14 dargestellt. Die Verbrennungskammer kann eine beliebige geeignete Verbrennungskammer aufweisen, wie jene, die beschrieben ist in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/120,268, die am 10. April 2002 eingereicht wurde, und zwar mit dem Titel "A Catalytic Combustor For Substantially Eliminating Nitrous Oxide Emissions", die vorliegend durch Bezugnahme enthalten sein soll. Die Verbrennungskammer 14 beinhaltet einen Vormischabschnitt oder -bereich 30, einen Wärmetausch- oder Vorheizabschnitt 32, der generell in einer Wärmetauschkammer umschlossen ist, und einen Hauptverbrennungsabschnitt 34. Eine erste oder Vormisch-Brennstoffleitung 36 stellt dem Vormischbereich 30 Brennstoff über einen Brennstoffverteiler 37 bereit, während eine zweite oder Haupt-Brennstoffleitung 38 dem Hauptverbrennungsabschnitt 34 Brennstoff über einen Hauptinjektor 52 zur Verfügung stellt. In dem Vormischbereich 30 ist ein Vormischinjektor 40 angeordnet, der Brennstoff aus der ersten Brennstoffleitung 36 in eine Vormischkammer oder Vormischer 42 einspritzt. Luft von dem Kompressor 12 tritt in den Vormischbereich 30 ein über eine Vielzahl von Kühlrohren 44 eines Wärmetauschers oder Vorheizers 45 (detailliert dargestellt in 3). Die Vormischkammer 42 umschließt ein Volumen zwischen dem Vormischinjektor 40 und dem Ausgang der Kühlrohre 44.
In 2 ist ferner gezeigt, dass eine Vielzahl von katalytischen Wärmetauscher- oder Katalysatorrohren 48 sich in den Wärmetauscherbereich 32 hinein erstreckt. Die Wärmetauscherrohre 48 sind lateral voneinander beabstandet. Die Wärmetauscherrohre 48 sind jedoch nicht vertikal voneinander beabstandet. Diese Konfiguration erzeugt eine Vielzahl von Säulen 49, die durch die Wärmetauscherrohre 48 gebildet werden.
Jedes Wärmetauscherrohr 48, und die Säule 49 insgesamt, definieren einen Wärmetauschergang bzw. Katalysatordurchgang bzw. – pfad, durch den Luft hindurch gehen kann. Die Säulen 49 definieren eine Vielzahl von Kanälen 50. Es versteht sich, dass dies lediglich beispielhaft ist und dass die Rohre in jeder beliebigen Konfiguration voneinander beabstandet sein können, um unterschiedliche Gänge bzw. Pfade zu bilden. Von den Wänden der Wärmetauschkammer 33 kann sich eine Richtfinne bzw. ein Richtflügel 33a nach innen erstrecken. Der Richtflügel 33a kann die Strömung der Luft hin zu der Oberseite und dem Boden der Wärmetauschkammer 33 richten, so dass Luft so gerichtet wird, dass sie vertikal durch die Kanäle 50 strömt, die durch die Wärmetauscherrohre 48 definiert sind. Es versteht sich für Fachleute, dass jede beliebige geeignete Anzahl der Richtfinne 33a und von deren Konfiguration verwendet werden kann. Es versteht sich ferner, dass die Finne 33a nicht notwendig ist und dass die Luft durch hydraulische Strömung und die Wärmetauscherkammer 33 gerichtet werden kann.
Nahe den Enden der Wärmetauscherrohre 48, dort, wo die Wärmetauscherrohre 48 auf den Hauptverbrennungsabschnitt 34 treffen, befindet sich ein Hauptinjektor 52. Die zweite Brennstoffleitung 38 stellt dem Hauptinjektor 52 Brennstoff zur Verfügung, so dass Brennstoff an dem Ende von jedem Wärmetauscherrohre 48 eingespritzt werden kann. Beabstandet von dem Hauptinjektor 52, und zwar in Richtung hin zu dem Vormischbereich 30, befindet sich eine Intra-Treibmittelplatte ("intra-propellant plate") 54. Die Intra-Treibmittelplatte bzw. Treibmitteltrennplatte 54 trennt die Luft, die durch die Kanäle 50 verläuft, und den Brennstoff, der der Brennstoff-Verteilerregion 56 zwischen der Seite des Hauptinjektors 52 und der Intra- Treibmittelplatte 54 zugeführt wird. Es versteht sich, dass die Intra-Treibmittelplatte 54 tatsächlich eine solide bzw. massive bzw. Festkörperplatte ist, obgleich dies bei verschiedenen Ausführungsformen wörtlich nicht der Fall ist und obgleich sie vorliegend nicht als einzelne massive Platte dargestellt ist. Die Anordnung der Wärmetauscherrohre 48 kann vorschreiben, dass die Intra-Treibmittelplatte 54 segmentiert wird, wobei ein Teil der Intra-Treibmittelplatte 54 in einem jeweiligen Kanal 50 zwischen zwei Säulen 49 angeordnet ist.
Luft, die aus den Wärmetauscherrohren 48 austritt, wird mit Brennstoff mitgerissen, der aus einem Injektorport (hier deutlicher dargestellt) in dem Hauptinjektor 52 eingespritzt wird, und dieser Brennstoff verbrennt dann in dem Hauptverbrennungsabschnitt 34. Der Hauptverbrennungsabschnitt 34 richtet die expandierenden Gase des verbrannten Brennstoffs so, dass diese an den Turbinenflügeln 16 angreifen, so dass die expandierten Gase die Turbinenflügel 16 antreiben können.
In 3 ist ein Teil des Wärmetauschers 45 detailliert dargestellt. Obgleich der Wärmetauscher 45 bei einer Ausführungsform eine große Vielzahl von Rohren aufweist, wie es generell in 2 gezeigt ist, sind hier lediglich einige der Wärmetauscherrohre 48 und der Kühlrohre 44 dargestellt, aus Gründen einer besseren Klarheit. Der Wärmetauscher 45 ist ähnlich jenem Wärmetauscher, der beschrieben ist in dem US-Patent mit der Nummer 5,309,637 mit dem Titel "Method of Manufacturing A Micro-Passage Plate Fin Heat Exchanger", das vorliegend durch Bezugnahme enthalten sein soll. Der Wärmetauscher 45 weist eine Vielzahl von Kühlrohren 44 auf, die sich parallel zu und eng benachbart zu den Wärmetauscherrohren 48 erstrecken. Jedes der Kühlrohre 44 und der Wärmetauscherrohre 48 hat generell einen rechteckigen Querschnitt und kann aus jedem beliebigen Material, insbesondere einem generell gut thermisch leitenden Material hergestellt sein. Die Wärmetauscherrohre 48 und die Kühlrohre 44 können aus rostfreiem Stahl gebildet sein. Es versteht sich, dass die Querschnittsform der Komponenten eine Vielzahl anderer Formen als Quadrate aufweisen könnte, obgleich die Kühlrohre 44 und die Wärmetauscherrohre 48 als im Wesentlichen quadratisch gezeigt sind. Ohne durch diese Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die generell quadratische Form einen guten thermischen Transfer zwischen den Rohren 44 und 48 bereitstellen kann.
Sowohl die Kühlrohre 44 als auch die Wärmetauscherrohre 48 können von jeder beliebigen geeigneten Größe sein und können generell quadratisch im Querschnitt sein, mit einer Breite und Höhe von etwa 0,04 Zoll und etwa 1,0 Zoll (zwischen etwa 0,1 Zentimeter und etwa 2,5 Zentimeter). Die Dicke der Wände der Kühlrohre 44 und der Wärmetauscherrohre 48 kann jede beliebige geeignete Dicke sein. Die Wände können stark genug sein, um zu ermöglichen, dass die Fluide hierdurch strömen, jedoch dennoch einen effizienten Transfer von Wärme zwischen dem Inneren der Wärmetauscherrohre 48 und der Luft in den Kanälen 50 und den Kühlrohren 44 ermöglichen. Die Dicke kann ferner aus verschiedenen Gründen variieren, wie Größe und Materialwahl.
Die Kühlrohre 44 erstrecken sich parallel zu den Wärmetauscherrohren 48, und zwar über einen Teil der Länge der Wärmetauscherrohre 48. Wie oben erörtert, definieren die Wärmetauscherrohre generell einen Gang bzw. Pfad, bei dem es sich um einen Katalysator- oder Wärmetauschergang handeln kann. Die Kühlrohre definieren auch einen Gang, bei dem es sich generell um einen Kühlgang handelt. Die Kühlrohre 44 können auch einen Teil des Wärmetauscherganges definieren, wenn das Oxidationsmittel, wie die komprimierte atmosphärische Luft, durch den Wärmetauscher hindurch an den Wärmetauscherrohren vorbei verläuft.
Generell ist jedes der Kühlrohre 44 an eines der Wärmetauscherrohre 48 gelötet, und zwar über die Distanz, über die sie benachbart zueinander angeordnet sind. Darüber hinaus können die Kühlrohre 44 und die Wärmetauscherrohre 48 jeweils an ein benachbartes Rohr des gleichen Typs gelötet sein. Die Kühlrohre 44 erstrecken sich zwischen den Säulen 49 der Wärmetauscherrohre 48. Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind Lötmaterialien solche Materialien mit Schmelztemperaturen oberhalb von etwa 538 °C (etwa 1000 °F) . Die Kühlrohre 44 erstrecken sich zwischen den Säulen 49 der Wärmetauscherrohre 48. Die Kühlrohre 44 und die Wärmetauscherrohre 48, die zusammengelötet werden können, bilden den Wärmetauscher 45, der einen Austausch von Wärme von Oberfläche zu Oberfläche bereitstellen kann. Es versteht sich jedoch, dass Luft, die in den Kanälen 50 zwischen den Wärmetauscherrohren 48 verläuft, auch aufgrund der Wärme erwärmt werden kann, die von den Wärmetauscherrohren 48 auf die Luft in den Kanälen 50 übertragen wird.
In 3 ist ferner gezeigt, dass Brennstoff-Injektorports 60 in dem Hauptinjektor 52 gebildet sind. Die Injektorports 60 können in jeder geeigneten Anzahl vorgesehen sein. Gemäß verschiedener Ausführungsformen liegt ein Verhältnis von Wärmetauscherrohren 48 zu Injektoren 60 bei wenigstens vier zu eins. Es versteht sich jedoch, dass jedes beliebige geeignete Verhältnis von Injektoren 60 zu Wärmetauscherrohren 48 vorgesehen sein kann. Der Brennstoff wird der Verteilerregion 56 bereitgestellt, die durch die Intra-Treibmittelplatte 54, die Hauptinjektorplatte 52 und eine Verteilerplatte 61 eingegrenzt ist. Die Verteilerplatte 61 kann unterhalb, oberhalb oder um die Verteilerregion 56 herum angeordnet sein. Dies stellt jedem der Injektorports 60 Brennstoff bereit, ohne dass eine individuelle Brennstoffleitung für jeden Injektorport 60 erforderlich ist. Daher wird dann, wenn Luft aus jedem Wärmetauscherrohr 48 austritt, Brennstoff von dem Injektorport 60 in den Strom aus Luft eingespritzt, der von jedem Wärmetauscherrohr 48 emittiert wird. Auf diese Weise kann der Brennstoff sehr effizient und schnell innerhalb der Luft verteilt werden, die aus dem Wärmetauscher 45 strömt, wie es nachstehend erörtert wird.
An den inneren Wänden der Wärmetauscherrohre 48 ist eine Beschichtung aus einem Katalysator angeordnet. Der Katalysator kann jeder beliebige geeignete Katalysator sein, der dazu in der Lage ist, einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff zu verbrennen, und kann beispielsweise Platin, Palladium oder Mischungen hiervon aufweisen. Der Katalysator ist dazu in der Lage, einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff, wie Methan, zu verbrennen, und zwar ohne das Vorhandensein einer Flamme oder einer beliebigen anderen Zündquelle. Der Katalysator ist ferner dazu in der Lage, den Brennstoff zu verbrennen, ohne generell irgendwelche Nebenreaktionen zu involvieren. Demzufolge erzeugt die Verbrennung von Brennstoff keine unerwünschten Produkte. Es versteht sich, dass dann, wenn der Brennstoff keine Kohlenwasserstoffverbindung ist, der geeignete Katalysator unter schiedlich oder der gleiche sein kann. Der Katalysator ermöglicht eine Verbrennung des Brennstoffes ohne eine zusätzliche Wärmequelle.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1-3 und ferner unter Bezugnahme auf 4 wird nunmehr ein Verfahren zum Verwenden der Verbrennungskammer 14 gemäß verschiedener Ausführungsformen beschrieben. Die Verbrennungseinrichtung 14 weist einen Vormischer 42 auf, der auf jede beliebige geeignete Art und Weise gebildet sein kann. Der Vormischer 42 kann eine offene Region aufweisen, wie es in 4 dargestellt ist, oder kann eine Vielzahl der Kühlrohre 44 aufweisen, wie es in 5 dargestellt und nachstehend beschrieben ist. Wenn als der Vormischer 42 eine offene Region verwendet wird, folgt die Strömung generell dem durch die Pfeile in 4 angezeigten Pfad. Es versteht sich ferner, dass, wie oben beschrieben, eine Vielzahl von Rohren in dem Wärmetauscher vorhanden sind, diese sind jedoch in der vorliegenden Beschreibung der Luftströmung aus Gründen der Klarheit weggelassen. Atmosphärische Luft wird in dem Kompressor 12 komprimiert und dann in die Wärmetauschkammer 33 unter einem hohen Druck eingeführt. Die Luft, die in die Wärmetauschkammer 33 eintritt, wird durch die Richtfinnen 33a zur Oberseite und zur Unterseite der Wärmetauschkammer 33 gerichtet, so dass die Luft durch die Kanäle 50 strömen kann. Die Luft, die in die Wärmetauschkammer 33 eintritt, kann eine Temperatur zwischen etwa 37 °C und etwa 427 °C (etwa 100 °F und etwa 800 °F) besitzen. Generell tritt die Luft jedoch in den Wärmetauscher 45 mit einer Temperatur von etwa 204 °C bis etwa 400 °C (etwa 400 °F bis etwa 750 °F) ein.
Wenn die Luft in den Kanälen 50 fortschreitet, steigt die Temperatur der Luft, so dass die Luft "heiße" Luft wird. Die heiße Luft strömt durch den Gang, der durch die Kühlrohre 44 gebildet ist und auch als Kühlrohrgang bezeichnet werden kann, und in den Vormischbereich 30 hinein. Die heiße Luft empfängt ferner thermische Energie, während sie durch die Kühlrohre 44 strömt. Es versteht sich, dass die Kühlrohre 44 zu einem Abschnitt der Wärmetauscherrohre 48 benachbart sind. Die Temperatur der heißen Luft, wenn sie in den Vormischbereich 30 eintritt, beträgt zwischen etwa 427 °C und etwa 538 °C (etwa 800 °F und etwa 1000 °F). Die Luft vollzieht in dem Vormischbereich 30 eine Wende innerhalb der Vormischkammer 42. Wenn die Luft innerhalb der Vormischkammer 42 wendet, spritzt der Vormischinjektor 40 Brennstoff in die Luft, so dass der Brennstoff in der Luft mitgerissen wird. Etwa 30 % bis etwa 60 % des gesamten zum Antrieb der gasgetriebenen Turbine 10 verwendeten Brennstoffes wird auf diese Weise in der Vormischkammer 42 mitgerissen.
Nachdem die Luft in die Vormischkammer 42 eingetreten ist, kann sie dann durch den Gang heraus strömen, der durch die Wärmetauscherrohre 48 gebildet ist. In den Wärmetauscherrohren 48 verbrennt der Brennstoff in der Luft, wenn er in Eingriff gelangt oder reagiert mit dem Katalysator, der an den Innenwänden der Wärmetauscherrohre 48 angeordnet ist. Der Katalysator kann innerhalb des Wärmetauscherrohrs 48 auf eine Vielzahl von Arten angeordnet sein, wie Beschichten durch Lackieren oder Tauchen, oder durch Anbringen von Dichtungen an den Innenwänden. Wenn der Brennstoff verbrennt, steigt die Temperatur der Luft auf zwischen etwa 768 °C und 930 °C (zwischen etwa 1400 °F und etwa 1700 °F) . Wenn die Temperatur der Luft ansteigt, wird sie hoch energetisch, um so Luft hoher Energie zu bilden, wobei die Luft hoher Energie dann ferner aus den Wärmetauscherrohren 48 austreten kann. Die Temperatur, die die Luft hoher Energie in den Wärmetauscherrohren 48 erreicht, ist wenigstens die hypergolische oder Selbstzündungs-Temperatur des in der gasgetriebenen Turbine 10 verwendeten Brennstoffes. Daher ist die Luft hoher Energie, die aus den Wärmetauscherrohren 48 austritt, hypergolische oder Selbstzündungs-Luft und kann auch als solche bezeichnet werden. Die Selbstzündungs-Temperatur der Luft ist jene Temperatur, die die Luft besitzt, oder eine darüber liegende Temperatur, bei der dann, wenn mehr Brennstoff in die hypergolische Luft eingespritzt wird, der Brennstoff sich automatisch entzündet, ohne jeden weiteren Katalysator oder Zündquelle.
In 5 ist ein Teil der Vormischkammer 42 gemäß einer zweiten Ausführungsform in größerer Genauigkeit dargestellt. Es lässt sich leichter erkennen, dass eine Vielzahl der Kühlrohre 44 vertikal übereinandergestapelt ist, um eine Kühlrohrsäule 44a zu bilden. Jedes Kühlrohr 44 und die Vielzahl der Kühlrohrsäulen 44a definieren einen Kühlgang. Daher kann Luft in die Verbrennungskammer 14 eintreten, durch die Kanäle 50 verlaufen, benachbart zu den Wärmetauscherrohren 48, und durch den Kühlgang, der durch die jeweiligen Kühlrohre 44 definiert ist. Die Kühlrohre 44 weisen daher einen Einlass 44b auf. Der Einlass 44b ist dort, wo die Luft aus dem Wärmetauscherkanal 50 in das Kühlrohr 44 eintritt. Der Einlass 44b des Kühlrohrs definiert eine Einlassfläche A, durch die Luft hindurchgehen kann. Der Einlass 44b des Kühlrohrs ist es, der es der Luft erlaubt, in das Kühlrohr 44 einzutreten, wenn sie hin zu der Vormischkammer 42 fortschreitet. In dem Vormischer 42 defi niert jedes der Kühlrohre 44 eine Vielzahl von Austrittsöffnungen oder Ports 46. Jede der Austrittsöffnungen 46 weist einen Austrittsbereich bzw. eine Austrittsfläche B auf. Die Luft, die durch die Kühlrohre 44 hindurch geht, kann aus den Austrittsöffnungen 46 austreten, um in die Vormischbereiche 42 einzutreten. Jede Austrittsöffnungsfläche B ist generell kleiner als die Einlassfläche A, wobei jedoch die Gesamtfläche sämtlicher Austrittsöffnungsflächen B gleich oder größer sein kann als die Einlassfläche A. Darüber hinaus weist vorzugsweise jedes der Kühlrohre 44 eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 46 auf. Demzufolge kann die Gesamtaustrittsöffnungsfläche B für jedes Kühlrohr 44 größer sein als dessen Einlassfläche A. Das genaue Verhältnis kann von den Betriebsbedingungen, wie Temperatur oder Brennstofftyp, für die Verbrennungseinrichtung 14 abhängen.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 5 und ferner unter Bezugnahme auf 5A kann jede der Austrittsöffnungen 46 einen unterschiedlichen Austrittsdurchmesser B besitzen. Demzufolge kann eine erste Austrittsöffnung 46a eine erste Austrittsöffnungsfläche Ba aufweisen, wohingegen eine zweite Austrittsöffnung 46b eine zweite Öffnungsfläche Bb aufweist. Die Austrittsöffnungsflächen B können geändert werden, um das Äquivalenzverhältnis der Luft zu dem Brennstoff zu ändern, und können ferner dazu verwendet werden, um direkt die Strömung des Oxidationsmittels von den Kühlrohren 44 aus den Austrittsöffnungen 46 heraus zu steuern. Die Austrittsöffnungen können auch dynamisch sein, derart, dass sie während des Betriebs entweder manuell oder automatisch verändert werden können.
Der Vormischinjektor 40 weist eine Vielzahl von Vormisch-Brennstoffinjektoren oder -öffnungen 40a auf. Sobald die Luft aus den Austrittsöffnungen 46 austritt, und zwar in die Vormischkammer 42 hinein, wird Brennstoff über die Vormischinjektorports 40a eingespritzt, um diesen mit der Luft zu mischen, die aus den Kühlrohren 44 austritt. Die Anzahl der Vormischinjektorports 40a kann von der bestimmten Anmeldung und von dem zur Verbrennung ausgewählten Brennstoff abhängen. Nichtsdestotrotz kann das Verhältnis von Vormischinjektorport 40a zu Kühlrohren 44 generell zwischen etwa 0,25 und etwa 3 liegen. Nachdem die Luft in die Vormischkammer 42 eingetreten ist, strömt sie dann aus der Vormischkammer 42 heraus, und zwar durch den Gang hindurch, der von den Wärmetauscherrohren 48 gebildet wird.
In dem Vormischer 42 kann gemäß verschiedener Ausführungsformen ein Verbrennungs- oder Flashbackinhibitor oder – unterdrücker angeordnet oder positioniert sein. Der Flashbackunterdrücker kann vorgesehen sein, um eine Verbrennung des Brennstoffs in dem Vormischer 42 zu beschränken oder zu eliminieren, bevor also der Brennstoff die Katalysatorrohre 48 erreicht oder einen Flashback aus den Katalysatorrohren 48 in den Vormischer 42 vollzieht. Geeignete Unterdrücker beinhalten Beschichtungen, um die Bildung von Pre-Oxyl-Radikalen ("preoxyl radicals") zu eliminieren, oder eine physikalische Struktur, die wenigstens in der Löschdistanz ("quenching distance") für den Brennstoff vorliegt, der in den Vormischer 42 eingespritzt wird. Weitere geeignete Verfahren können gleichfalls verwendet werden, um eine Verbrennung oder einen Flashback des Brennstoffs zu hemmen, bevor dieser die Katalysatorrohre 48 erreicht.
Zusätzlicher Brennstoff wird über den Hauptinjektor 52 eingespritzt, wenn die Luft aus den Wärmetauscherrohren 48 austritt und in den Hauptverbrennungsabschnitt 34 eintritt. Der von dem Hauptinjektor 52 eingespritzte Brennstoff wird über die individuellen Injektorports 60 eingespritzt. Es kann jedes beliebige Verhältnis von Injektorports 60 zu Wärmetauscherrohren 48 verwendet werden, solange die gesamte Luft, die aus dem Wärmetauscher 45 austritt, gründlich mit dem Brennstoff durchmischt wird. Eine beliebige Menge zusätzlichen Brennstoffs zum Antreiben der gasgetriebenen Turbine 10 wird zu diesem Zeitpunkt eingespritzt, so dass Brennstoff der Luft bei der Vormischkammer 42 und aus den Injektorports 60 hinzugegeben wird.
Wenn die Luft durch die Wärmetauscherrohre 48 hindurch geht, kann der Brennstoff, der in der Vormischkammer 42 in der Luft mitgerissen wurde, durch den Katalysator zumindest teilweise verbrannt werden. Dies hebt die Temperatur der Luft gegenüber der Temperatur, mit der sie in die Wärmetauschkammer 33 eingetreten ist. Insbesondere wird die Temperatur der Luft angehoben auf einen Wert von generell zwischen etwa 700 °C und 880 °C (zwischen etwa 1300 °F und etwa 1600 °F). Diese Temperatur ist generell die hypergolische Temperatur, so dass der Brennstoff, der über den Injektorport 60 hinzugegeben wird, spontan verbrennt. Es versteht sich, dass unterschiedliche Brennstoffe unterschiedliche hypergolische Temperaturen besitzen. Demzufolge kann die Menge des Brennstoffes, die in dem Vormischabschnitt 42 hinzugegeben wird, geändert werden, um die Temperatur der Luft zu bestimmen, die aus den Wärmetauscherrohren 48 austritt.
Unter Bezugnahme auf 6 erstrecken sich die Wärmetauscherrohre 48 von einer stromauf liegenden Seite 70 durch die Intra-Treibmittelplatte 54 hindurch und enden in dem Hauptinjektor 52. Eine Stirnseite des Injektors 52a liegt stromab der Wärmetauscherrohre 48. Brennstoff kann über die Haupt-Brennstoffleitung 38 der Verteilerregion 56 bereitgestellt werden, bei der es sich um den Bereich zwischen der Intra-Treibmittelplatte 54 und dem Hauptinjektor 52 handelt. Obgleich lediglich eine Haupt-Brennstoffleitung 38 dargestellt ist, versteht sich, dass mehr als eine Haupt-Brennstoffleitung vorgesehen sein kann. In der Hauptinjektorplatte 52 sind Oxidationsmittelpassagen oder -gänge 72 gebildet, bei denen es sich um Verlängerungen der Wärmetauscherrohre 48 handelt, die in der Hauptinjektorplatte 52 gebildet sind. Die hypergolische Luft von den Wärmetauscherrohren 48 geht durch die Oxidationsmittelgänge 72 hindurch und tritt in den Hauptverbrennungsbereich 34 ein.
Von dem Injektorport 60 erstreckt sich nach hinten ein Brennstoff-Einspritzpfad 74. Jeder Brennstoff-Injektorport 74 kann wenigstens einen Brennstoffpfad bzw. -gang 74 aufweisen. Der Brennstoffgang 74 kann eine Bohrung, die in der Hauptinjektorplatte 52 gebildet ist, um einen Zugriff auf die Brennstoff-Verteilerregion 56 zu erlangen, so dass der Brennstoff, der der Brennstoff-Verteilerregion 56 bereitgestellt ist, und zwar aus der Haupt-Brennstoffleitung 38, den Verbrennungsbereich 34 erreichen kann. Generell können die Brennstoffgänge 74 in der Hauptinjektorplatte 52 gebildet sein, und in den Abständen oder Stegen zwischen den Oxidationsmittelgängen 72, die sich aus den Wärmetauscherrohren 48 heraus erstrecken.
Der Brennstoff tritt aus den Injektorports 60 als ein Brennstoffstrom 76 aus, und zwar ausgerichtet mit dem Brennstoffgang 74, der in der Hauptinjektorplatte 52 vorgesehen ist. Vorzugsweise ist der Brennstoffstrom 76 unter einem Halbwinkel zwischen etwa 40° und etwa 50°, und vorzugsweise von etwa 45° ausgerichtet. Daher ist es so, dass dann, wenn sich zwei der Brennstoffströme 76 schneiden, in einem Bereich der Brennstoffkammer 34, der stromab in Bezug auf die Stirnfläche 52a der Injektorplatte 52 liegt, sich die Ströme unter einem Winkel von 80° bis 100° schneiden. Es versteht sich jedoch, dass sich die Brennstoffströme 76 unter jedem beliebigen geeigneten Winkel schneiden können. Beispielsweise können die Brennstoffströme sich unter Winkeln schneiden, die im Bereich zwischen etwa 20° und etwa 150° liegen.
In den 7a und 7b ist eine erste Ausführungsform des Brennstoff-Injektorports 60 dargestellt. Die hypergolische Luft, die als ein Oxidationsmittel wirkt, tritt aus den Oxidationsmittelgängen 72 aus. Wenn dies passiert, tritt Brennstoff aus den Injektorports 60 aus und wird entlang von Brennstoffströmen 76 übertragen. Da die zwei Brennstoffströme 76 winklig zueinander liegen, schneiden sie sich an einem Punkt stromab der Oxidationsmittelgänge 72 und zwischen den Oxidationsmittelgängen 72, und zwar in einem Stegbereich 77. Wie oben erörtert, können sich zwei Brennstoffströme 76 unter einem Winkel von etwa 90° schneiden. Wenn dieses Schneiden auftritt, unterbrechen oder schneiden sich die zwei Brennstoffströme gegenseitig und erzeugen eine Brennstoffwolke 80, die sich in die geeigneten Oxidationsmittelgänge 72 hinein ausbreitet. Die Brennstoffwolke 80 kann beträchtlich und fein atomisiert sein, und zwar aus den Brennstoffströmen 76, die sich extrem schnell nach außen ausbreiten. Dies ermöglicht es, dass sich der Brennstoff in den Brennstoffströmen 76 sehr schnell mit der hypergolischen Luft vermischt, wenn diese aus den Oxidationsmittelgängen 72 austritt.
Wie oben erörtert, tritt die Luft aus den Oxidationsmittelgängen 72 etwa mit der Selbstzündungs- oder hypergolischen Temperatur des Brennstoffs in den Brennstoffströmen 76 aus. Daher, sobald der Brennstoff aus den Brennstoffströmen 76 auf die Temperatur der hypergolischen Luft angehoben ist, die aus den Oxidationsmittelgängen 72 austritt, zündet der Brennstoff. Wenn der Brennstoff sich demzufolge im Wesentlichen vollständig mit der Luft durchmischt, wenn diese aus den Oxidationsmittelgängen 72 austritt, zündet die gesamte Menge des mit den Brennstoffströmen 76 eingespritzten Brennstoffes im Wesentlichen zur gleichen Zeit. Wenn dies auftritt, ist die Zündung von Brennstoff aus den Brennstoffströmen 76 über die Stirnseite 52 der Injektorplatte 52 im Wesentlichen konstant und gleich groß. Demzufolge werden im Wesentlichen keine heißen Punkte ("hot spots") erzeugt, was die Temperatur der Verbrennungskammer 34 auf einer solchen Temperatur hält, bei der ermöglicht ist, dass im Wesentlichen keine Distickstoffoxid-Verbindungen erzeugt werden.
Da der Brennstoff in der Brennstoffwolke 80 sich so schnell in die Luft hoher Energie hinein ausbreitet, die aus den Oxidationsmittelgängen 72 austritt, vermischt sich der Brennstoff mit der hypergolischen Luft und wird schneller auf die hypergolische Luft erwärmt als die Zünd- oder Verbrennungsrate des Brennstoffs. Daher erreicht im Wesentlichen der gesamte Brennstoff, der aus dem Injektorport 60 eingespritzt wird, die hypergolische Temperatur zur gleichen Zeit. Demzufolge verbrennt im Wesentlichen der gesamte Brennstoff im Wesentlichen zur gleichen Zeit, was die Erzeugung von diskreten heißen Punkten wesentlich reduziert.
In den 8a und 8b ist ein Brennstoff-Injektorport 90 gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei den verschiedenen Ausführungsformen tritt Luft hoher Energie aus dem Hauptinjektor 52 über die Oxidationsmittelgänge 72 aus. Es werden auch Brennstoffströme 76 erzeugt, wenn Brennstoff aus einer Vielzahl von Injektorports 90 austritt. Die Injektorports 90 sind nicht kreisförmig sondern besitzen generell eine rechteckige Form, mit einer Höhe H, die wesentlich größer ist als eine Breite W. Die Höhe H des Injektorports 90 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu der Höhe der Oxidationsmittelgänge 72. Demzufolge wird ein Brennstoffstrom oder -fächer 92 durch die Brennstoffinjektoren 90 erzeugt, der im Wesentlichen auf gespreizt oder abgeflacht wird, wenn er aus dem Injektorport 90 austritt, im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Brennstoffstrom 76.
Brennstoff kann in den Brennstoffgang 74 über jeden geeignet geformten Port eintreten, wenn sich der Gang 74 jedoch dem Injektorport 90 nähert, wird der Gang im Wesentlichen rechteckförmig mit einer Höhe H, die sehr viel größer ist als eine Breite W. Wie es insbesondere in 8b gezeigt ist, weist die stromauf liegende Seite der Hauptinjektorplatte 52 einen Einlassport 94 auf, der im Wesentlichen kreisförmig ist. Nichtsdestotrotz ist der Injektorport 90 im Wesentlichen rechteckförmig. Der Brennstoffstrom 92, der so erzeugt wird, ist im Wesentlichen auf gespreizt oder verdünnt bzw. dünner gemacht, bevor er einen Schnittpunkt mit einem anderen Brennstoffstrom 92 erreicht. Wenn zwei Brennstoffströme 92 sich schneiden, erzeugen sie eine Brennstoffwolke 96, die es ermöglicht, dass der über die Injektorports 90 bereitgestellte Brennstoff sich mit der hypergolischen Luft vermischt, die aus den Oxidationsmittelgängen 72 austritt, und zwar bevor der Brennstoff, der in den Brennstoffströmen 92 bereitgestellt wird, seine Zündtemperatur erreicht.
Dies kann auch ein beträchtliches Vermischen des Brennstoffes mit der Luft erlauben, die aus den Oxidationsmittelgängen 72 austritt, und zwar bevor der Brennstoff verbrennt, so dass die Verbrennung in der Verbrennungskammer 34 quer über die Stirnseite 52a der Hauptinjektorplatte 52 im Wesentlichen gleichmäßig ausgebildet ist. Dies lässt generell nicht zu, dass sich heiße Punkte in dem Verbrennungsbereich 34 bilden, wodurch die Erzeugung von NOX-Chemikalien im Wesentlichen eliminiert wird. Es versteht sich bei dieser Ausführungsform, dass gegenüberliegende Brennstofffächer 92 nicht notwendig sind, um eine geeignete Brennstoffwolke 96 bereitzustellen. Da der Injektorport 90 einen Brennstofffächer 92 erzeugt, der bereits beträchtlich auf geweitet und verteilt ist, kann das Aufeinanderauftreffen der zwei Brennstoffströme generell nicht notwendig sein.
Wie oben erörtert, besitzt die Temperatur, die aus dem Wärmetauscher 45 austritt, die Selbstzündungs- oder hypergolische Temperatur des Brennstoffs, der in der gasgetriebenen Turbine 10 verwendet wird. Demzufolge zündet der Brennstoff, sobald der Zündstoff die Temperatur der Luft erreicht hat. Da der Brennstoff gründlich mit der Luft durchmischt sein kann, findet die Verbrennung des Brennstoffes nahezu momentan bzw. zu einem Zeitpunkt statt und wird keine lokalen oder diskreten heißen Punkte erzeugen. Da der Brennstoff so gut mit der Luft gemischt sein kann, die aus dem Wärmetauscher 45 austritt, gibt es keinen Punkt oder keinen Bereich, bei dem mehr Brennstoff vorliegt als bei einem anderen Punkt, was gleichfalls heiße Punkte in dem Hauptverbrennungsabschnitt 34 erzeugen könnte. Demzufolge ist die Temperatur der Luft, die von dem Hauptinjektor 52 kommt und in den Hauptverbrennungsabschnitt 34 hineingeht, im Wesentlichen gleichförmig. Während des Betriebs der gasgetriebenen Turbine 10 ist die charakteristische Mischrate des Brennstoffs kürzer als die Verbrennungsrate des Brennstoffs.
Die Temperatur der Luft liegt, nachdem der zusätzliche Brennstoff aus dem Hauptinjektor 52 verbrannt worden ist, zwischen etwa 1315 °C und 1595 °C (etwa 2400 °F und etwa 2800 °F). Vorzugsweise beträgt die Temperatur jedoch nicht mehr als etwa 1426 °C (etwa 2600 °F). Es können unterschiedliche Brennstoff-zu-Luft-Verhältnisse verwendet werden, um die Temperatur in dem Hauptverbrennungsabschnitt zu steuern. Der Hauptverbrennungsabschnitt 34 richtet die expandierenden Gase in ein Übergangsrohr (teilweise als sich aus dem Verbrennungsabschnitt 34 heraus erstreckend gezeigt), so dass sie in dem Turbinenbereich 15 an den Turbinenflügeln 16 angreifen, und zwar mit einer Strömungsform mit geeignetem Querschnitt.
Die Verwendung des Wärmetauschers 45 erhöht die Temperatur der Luft, um heiße oder erwärmte Luft zu erzeugen. Die heiße Luft ermöglicht es dem Katalysator, den Brennstoff zu verbrennen, der in der Vormischkammer 42 in der Luft mitgeris sen worden ist, ohne die Notwendigkeit weiterer anderer Zündquellen. Der Katalysator tritt lediglich in Wechselwirkung mit dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff und dem Sauerstoff in der Luft, um den Brennstoff zu verbrennen, ohne zu reagieren und andere chemische Arten bzw. Verbindungen zu erzeugen. Demzufolge sind die Produkte der Verbrennung in den Wärmetauscherrohren 48 im Wesentlichen lediglich Kohlendioxid und Wasser, und zwar aufgrund des darin angeordneten Katalysators. Es werden keine signifikanten Mengen anderer chemischer Arten bzw. Verbindungen erzeugt, und zwar aufgrund der Verwendung des Katalysators. Ferner ermöglicht es die Verwendung der Wärmetauscherrohre 48 mit einem darin angeordneten Katalysator, dass die Temperatur der Luft die Selbstzündungs-Temperatur des Brennstoffs erreichen kann, so dass keine zusätzlichen Zündquellen in dem Hauptverbrennungsabschnitt 34 notwendig sind. Demzufolge erreicht die Temperatur der Luft nicht eine Temperatur, bei der fremde Arten bzw. Verbindungen leicht erzeugt werden können, wie NOX-Chemikalien. Aus diesem Grund haben die Emissionen der gasgetriebenen Turbine 10 der vorliegenden Erfindung nahezu keine NOX-Emissionen. D.h., die NOX-Emissionen der gasgetriebenen Turbine 10 gemäß der vorliegenden Erfindung liegen generell unterhalb von etwa 1 Teil pro Million Volumen Trockengas ("1 part per million volume dry gas").
Ferner eliminiert die Verwendung des Wärmetauschers 45 die Notwendigkeit nach irgendwelchen anderen Vorbrennern, die in der gasgetriebenen Turbine 10 zu verwenden wären. Der Wärmetauscher 45 liefert die thermische Energie für die Luft, so dass das Katalysatorbett sich auf der geeigneten Temperatur befindet. Aus diesem Grund gibt es keine anderen Bereiche, bei denen fremde oder unerwünschte chemische Arten erzeugt werden können. Zusätzlich hierzu liegt das Äquivalenzverhältnis des Vormischbereiches generell zwischen etwa 0,20 und 0,30, wobei das Äquivalenzverhältnis des Hauptinjektors 52 zwischen etwa 0,50 und etwa 0,60 liegt. Dies bedeutet, dass die Brennstoffverbrennung in beiden Bereichen als eine magere Mischung erfolgt. Demzufolge gibt es niemals eine überschüssige Menge an Brennstoff, die nicht verbrannt wird. Ferner hilft die magere Mischung, die Temperaturen der Luft zu verringern, um Seitenreaktionen bzw. Nebenreaktionen leichter zu steuern. Es versteht sich, dass unterschiedliche Brennstoffverhältnisse verwendet werden können, um unterschiedliche Temperaturen zu erzeugen. Dies kann für unterschiedliche Brennstoffe notwendig sein.
Der in den Katalysatorrohren angeordnete Katalysator kann dazu in der Lage sein, einen ausgewählten Brennstoff bei einer ausgewählten Temperatur zu verbrennen. Es versteht sich zumindest, dass die katalytische Aktivität des Katalysators ein Optimum oder eine erste Größenordnung einer Reaktion bei einer ausgewählten Temperatur erreichen kann, bei einer unterschiedlichen Temperatur jedoch eine weniger optimale Reaktion beinhalten kann. Wenn der Brennstoff beispielsweise natürliches Gas bzw. Erdgas ist, um die gasbetriebene Turbine 10 anzutreiben, was jedoch nicht beschränkend sein soll, kann die katalytische Aktivität für verschiedene ausgewählte Katalysatoren beträchtlich unterhalb optimaler oder gewünschter katalytischer Aktivitäten sein, und zwar bei der Temperatur der Luft, die in die Katalysatorrohre 48 bei Hochfahren („start-up") eintritt. D.h. während des Hochfahrens beträgt die Temperatur der Luft, die die Katalysatorrohre 48 erreicht, wie oben erör tert, generell etwa 37°C und ist generell nicht größer als etwa 200°C (98°F bis 390°F).
Das Oxidationsmittel, das generell dazu verwendet wird, um den Brennstoff zu oxidieren, derart, dass der Brennstoff verbrennt, ist atmosphärische Luft, die über den Kompressor 12 in die gasbetriebene Turbine 10 eingesaugt wird. Die Luft darf nicht erwärmt sein bzw. ist möglicherweise nicht erwärmt und ist im Wesentlichen nahe Raumtemperatur oder Umgebungstemperatur, wenn die Luft eingesaugt wird, um mit einem Kompressor 12 komprimiert zu werden. Obgleich die Wirkung des eingesogen- und mit einem Kompressor 12 komprimiert-werdens die Temperatur der Luft erhöhen kann, so kann es dennoch weiterhin sein, dass sie nicht die optimale Temperatur erreicht, damit der Brennstoff mit dem Katalysator reagiert. Daher kann vorgesehen bzw. ausgewählt werden, eine Hochfahr-Erwärmungsvorrichtung in der Nähe der Katalysatorrohre 48 bereitzustellen. Beispielsweise können elektrische Spulen oder Induktionsspulen um die Katalysatorrohre 48 herum oder in der Nähe hiervon angeordnet werden, um die Katalysatorrohre 48 auf eine ausgewählte Temperatur zu erwärmen. Zusätzlich hierzu kann die Luft, die mit dem Kompressor 12 komprimiert wird, auf eine ausgewählte Temperatur erwärmt werden, und zwar zur Reaktion mit dem Katalysator in den Katalysatorrohren 48.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Erwärmen der Luft, bevor diese in die Katalysatorrohre 48 eintritt, und zwar insbesondere beim Hochfahren, kann beim Hochfahren ein Brennstoff verwendet werden, der eine höhere kinetische Energie auf den Katalysator der Katalysatorrohre 48 besitzen bzw. ausüben kann, um eine ausgewählte Temperatur der Katalysatorrohre 48 zu erzielen. Beispielsweise kann während des Hochfahrens Wasserstoffgas verwendet werden, um die gasgetriebene Turbine 10 anzutreiben. Wie oben erörtert, kann der Wasserstoff ein Brennstoff sein, der ausgewählt ist, um in dem Oxidationsmittel zu verbrennen. Zusätzlich hierzu können zwei Brennstoffe während eines einzelnen Betriebsvorgangs verwendet werden, um einen ausgewählten Betriebszustand zu erzielen. Beispielsweise kann Wasserstoff alleine dazu verwendet werden, um die Katalysatorrohre 48 anfänglich zu erwärmen und um eine ausgewählte Betriebstemperatur zu erzielen, und dann kann eine Mischung von Wasserstoff und anderen ausgewählten Brennstoffen wie Methan verwendet werden, und zwar für den kontinuierlichen Betrieb oder als eine Zwischenlösung für reinen Wasserstoff oder einen anderen ausgewählten Brennstoff.
Nichtsdestotrotz erhöht das Verwenden des gasförmigen Wasserstoffes als Brennstoff zum Hochfahren die kinetische Aktivität, wodurch die Temperatur verringert wird, auf der sich die Katalysatorrohre 48 befinden müssen, um eine optimale Reaktion des Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel zu erzielen. Da der Wasserstoff dazu in der Lage sein kann, mit dem Katalysator in den Katalysatorrohren bei einer niedrigeren Temperatur, und dennoch optimal, zu reagieren, kann die Reaktion dazu in der Lage sein, die Katalysatorrohre 48 auf eine ausgewählte Temperatur zu erwärmen, bei der es sich um eine optimale Reaktionstemperatur eines zweiten Brennstoffes in der gasgetriebenen Turbine 10 handeln kann. Demzufolge kann während einer Hochfahrphase ein unterschiedlicher Brennstoff als ein Brennstoff verwendet werden, der während eines kontinuierlichen Betriebs oder einer späteren Phase verwendet wird. Während der Phase des Hochfahrens werden die Katalysatorrohre 48 erwärmt und zwar auf eine ausgewählte Temperatur, um optimale Betriebsbedingungen der gasgetriebenen Turbine 10 zu ermöglichen.
Die Verwendung von zwei Brennstoffen kann mit im Wesentlichen geringer Schwierigkeit in einem einzelnen System eingesetzt werden. Beispielsweise kann, und dies soll die Beschreibung nicht beschränken, ein ausgewählter Brennstoff ein natürliches Gas bzw. Erdgas sein, das als ein genereller und Betriebsbrennstoff verwendet wird, während Wasserstoffgas als ein Brennstoff zum Hochfahren verwendet werden kann. Während der Phase des Hochfahrens kann der gasförmige Wasserstoff mit den anderen Abschnitten der gasgetriebenen Turbine 10 reagieren, und zwar im Wesentlichen auf eine ähnliche Weise wie das Erdgas. Beispielsweise kann der Wasserstoff dazu in der Lage sein, sich mit der hypergolischen Luft zu vermischen, indem er über die Hauptinjektorplatte 52 eingespritzt wird, und zwar derart, dass der gasförmige Wasserstoff keine Ergebnisse erzeugt, die unähnlich sind zu jenen anderer ausgewählter Brennstoffe. Beispielsweise die Einspritztriebkraft des Brennstoffs („fuels injection momentum"), G_f(ft-lbm/sec₂) bei einer gegebenen Erwärmungsrate durch die folgende Gleichung definiert:
wobei P der Kompressordruck der Hauptverbrennungseinrichtung ist in (psi), wobei M ^_f das Molekulargewicht des Brennstoffs ist (Gramm/Mol), und wobei ΔH_c,f die molare oder volumetrische Wärme der Verbrennung des Brennstoffs ist („fuel's molar or volumentric heat of combustion") (in BTU/SCF).
Das Molekulargewicht und der volumetrische Erwärmungswert von Erdgas betragen etwa 16 g/mol bzw. 920 BTU/SCF. Für Wasserstoff betragen das Molekulargewicht bzw. der volumetrische Erwärmungswert etwa 2 g/mol bzw. 300 BTU/SCF. Bei Verwendung von Gleichung 1 ist bei jedem beliebigen gegebenen Verbrennungseinrichtungsdruck die Brennstofftriebkraft („fuel momentum") im Wesentlichen äquivalent, und zwar für die gleiche Überschussluft-Verbrennungseinrichtungsfeuerrate („excess air combustor firing rate). Daher kann die Auftreffstrahlmischgeometrie ein geeignetes Mischen sowohl für Erdgas als auch für Wasserstoff ermöglichen, so dass diese leicht ausgetauscht werden können, derart, dass beide Brennstoffe verwendet werden können, um in der gasbetriebenen Turbine 10 im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse zu erzielen.
Ausgewählte Brennstoffe können mit dem erwärmten Oxidationsmittel im Wesentlichen vermischt werden, bevor der Brennstoff verbrennt, und zwar unter Verwendung der verschiedenen Injektoren, wie dem Auftreffinjektor 60 und dem fächerbildenden Injektor 90. D.h., dass Brennstoffe, die im Wesentlichen äquivalente Brennstoffeinspritztriebkräfte besitzen, wie durch Gleichung 1 definiert, ähnliche Injektoren verwenden können, ohne die Injektorgeometrie zu verändern. Daher wird der Injektor gemäß dem oben beschriebenen Beispiel, bei dem Erdgas und Wasserstoff im Wesentlichen ähnliche Injektortriebkräfte besitzen, dem Brennstoff auf im Wesentlichen ähnliche Art und Weise mischen.
Es versteht sich jedoch, dass nicht sämtliche Kombinationen von Brennstoffen oder Möglichkeiten im Wesentlichen ähnliche Injektortriebkräfte beinhalten können. Die Injektortriebkraft lässt sich leicht bestimmen, und zwar mittels Gleichung 1 oder ähnlicher Berechnungen oder Experimente, und wenn die zwischen zwei Brennstoffen oder einer Vielzahl von Brennstoffen im Wesentlichen ähnlich ist, dann kann es sein, dass der Injektor nicht verändert oder abgeändert werden muss, um ein ähnliches oder ausgewähltes Mischen zu erzielen. Dies ermöglicht, dass die Verbrennungseinrichtung 14 unter Verwendung einer Vielzahl von Arten von Brennstoffen betrieben werden kann, ohne irgendeine ihrer physikalischen Attribute, wie die Injektoren, zu verändern. Dies würde es einer Turbine 10 ermöglichen, in Betrieb zu bleiben, und zwar unabhängig von der Brennstoffzufuhr, die verwendet wird oder verfügbar ist, um die Verbrennungseinrichtung 14 zu betreiben.
Somit versteht sich, dass Wasserstoff möglicherweise nicht einfach ein Brennstoff zum Hochfahren sein kann bzw. muss, sondern auch ein Brennstoff sein kann, der dazu verwendet wird, die Verbrennungseinrichtung 14 während des Betriebs zu betreiben. D.h., eine Methan-Brennstoffquelle kann bei einem gewissen Punkt des Betriebszyklus der Verbrennungseinrichtung verfügbar sein und/oder eine Wasserstoffbrennstoffquelle ist während eines unterschiedlichen Betriebszyklus der Verbrennungseinrichtung 14 verfügbar. Beide Brennstoffe könnten dazu verwendet werden, um die Verbrennungseinrichtung 14 zu betreiben, und zwar ohne irgendwelche Teile der Verbrennungseinrichtung 14 zu verändern. Es ist einfach so, dass unterschiedliche Brennstoffe durch die Verbrennungseinrichtung 14 durchlaufen können.
In 9 ist ein detaillierter Teil der Verbrennungseinrichtung 14, ähnlich dem in 3 dargestellten Teil, gemäß verschiedener Ausführungsformen eines Wärmetauschers 145 dargestellt. Eine Vormischkammer 142 ermöglicht, dass Luft von dem Kompressor mit einem ersten Teil des Brennstoffs gemischt wird. Luft kommt von dem Kompressor und verläuft durch eine Kühlfinne 144 anstelle durch eine Vielzahl von Kühlrohren 44, wie in Bezug auf die erste Ausführungsform erläutert. Es versteht sich, dass in den Kühlfinnen 144 auch Austrittsports vorgesehen werden können, um den Vormischbereich 142 zu bilden. Die Kühlfinne 144 ist durch zwei im Wesentlichen parallele Platten 144a, 144b definiert. Es versteht sich jedoch, dass andere Teile, wie eine Oberseite und eine Unterseite, enthalten sein werden, um die Kühlfinne 144 zu umschließen. Zusätzlich hierzu ist eine Wärmetausch- oder Katalysatorfinne 148 vorgesehen anstelle der Wärmetauscherrohre 48, wie sie in Bezug auf die erste Ausführungsform erörtert wurden. Erneut ist die Katalysatorfinne 148 definiert durch Seitenwände, eine obere Wand und eine untere Wand, und definiert eine Säule 149. Jede Katalysatorsäule 149 ist jedoch durch eine einzelne Katalysatorfinne 148 definiert, anstelle durch eine Vielzahl von Katalysatorrohren 48, wie oben erläutert. Die Kühlfinne 144 kann eine Vielzahl von Kühlfinnen 144 aufweisen. In der Mehrzahl definiert jede Kühlfinne 144 einen Kühlgang. In ähnlicher Weise kann die Wärmetauschfinne 148 eine Mehrzahl von Wärmetauschfinnen 148 aufweisen. Jede Wärmetauschfinne 148 oder die Vielzahl der Wärmetauschfinnen 148 definiert einen Wärmetausch- oder Katalysatorgang.
Zwischen den jeweiligen Katalysatorfinnen 148 sind weiterhin Kanäle 150 vorgesehen, so dass Luft von dem Kompres sor durch die Kühlfinnen 144 hindurch in die Vormischkammer 142 strömen kann. Die Luft wird dann mit einem ersten Teil des Brennstoffs vorgemischt und strömt zurück durch die Katalysatorfinnen 148 zu der Hauptinjektorplatte 152. An der Hauptinjektorplatte 152 sind Injektionsports 160 vorgesehen, um Brennstoff einzuspritzen, wenn Luft aus der Katalysatorfinne 148 austritt. Es ist eine geeignete Anzahl von Injektionsports 160 vorgesehen, so dass die geeignete Menge Brennstoff mit der Luft gemischt wird, wenn diese aus den Katalysatorfinnen 148 austritt. Eine Intra-Treibmittelplatte 54 ist ebenfalls vorgesehen.
An der Hauptinjektorplatte 152 sind weiterhin Injektorports 60 oder 90 vorgesehen, um Brennstoffströme 76 oder 92 bereitzustellen, wenn erwärmte Luft aus den Oxidationsmittelpfaden (nicht besonders gezeigt) aus den Katalysatorfinnen 148 austritt. Jeder der zuvor beschriebenen Injektorports 60 oder 90 kann mit der zweiten Ausführungsform des Wärmetauschers 145 verwendet werden, um eine gründliche Durchmischung des Brennstoffes mit dem Gas bereitzustellen, wenn dieses aus den Katalysatorfinnen 148 austritt. Dies ermöglicht eine gründliche bzw. beträchtliche Mischung des Brennstoffs mit der Luft, wenn diese aus den Katalysatorfinnen 148 austritt, bevor der Brennstoff in der Lage ist, seine Zündtemperatur zu erreichen. Demzufolge sind die Temperaturen über die Stirnfläche des Hauptinjektors 152 und in der Verbrennungskammer 34 weiterhin im Wesentlichen konstant, ohne irgendwelche heiße Punkte, bei denen NOX-Chemikalien erzeugt werden könnten.
Es versteht sich ferner, dass die Kühlfinnen 144 sich ähnlich den Kühlrohren 44 in den Vormischer 142 hinein erstrecken können. Zusätzlich können in dem Teil der Kühlfinnen 144, der sich in den Vormischer hinein erstreckt, Ports gebildet sein, um die gesamte Luft, die aus den Kühlfinnen austritt, zu wenden und mit einem ersten Teil des Brennstoffs zu vermischen. Daher kann die Verbrennungseinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform einen Vormischer 142 aufweisen, der im Wesentlichen ähnlich ist zu dem in 5 dargestellten Vormischer, mit der Ausnahme, dass die Ports in den Kühlfinnen 144 und nicht in den individuellen Kühlrohren 44 ausgebildet sind. Zusätzlich hierzu kann diese alternative Ausführungsform einen Verbrennungshemmer aufweisen, um Unterstützung beim Eliminieren einer Verbrennung in dem Vormischer 142 zu leisten.
Es versteht sich ferner, dass der Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung nicht die Verwendung von individuell umschlossenen Regionen oder modularen Teilen erfordert. Stattdessen kann der Wärmetauscher aus einer Vielzahl von Lagen bzw. Blechen, wie Welllagen bzw. -blechen, gebildet sein. Ein erster Satz dieser Lagen ist relativ zueinander so orientiert, dass eine Vielzahl von Säulen gebildet wird. Der erste Satz von Lagen weist einen Katalysator auf, der auf einer Seite beschichtet ist, die einer zugeordneten Lage gegenüberliegt, derart, dass das Innere der Säule den Katalysator enthält, damit dieser den Luftstrom kontaktiert. Auf diese Weise muss der Katalysator nicht an dem Inneren eines geschlossenen Raumes beschichtet werden, sondern der Raum wird stattdessen gebildet, nachdem der Katalysator beschichtet ist, um den Katalysatorgang zu bilden. Dem ersten Satz von Lagen ist betriebsmäßig ein zweiter Satz von Lagen zugeordnet, die einen zweiten Satz von Säulen definieren, die wenigstens teilweise zwischen dem ersten Satz von Säulen angeordnet sind. Auf diese Weise können in ähnlicher Weise der Wärmetauscher 145, Wärmetauschersäulen und Kühlsäulen gebildet werden. Diese bilden dann den Katalysatorgang und den Kühlgang, und zwar im Betrieb der Verbrennungseinrichtung.
In 4 ist eine Verbrennungseinrichtungsanordnung 200 gemäß verschiedener Ausführungsformen dargestellt. Die Verbrennungseinrichtungsanordnung 200 ist generell entlang einer Zentralachse M ausgerichtet. Die Verbrennungseinrichtungsanordnung 200 kann einen Vormischabschnitt 202, einen Vorverbrennungs- oder Katalysatorabschnitt 204 und einen Hauptverbrennungskammer oder -bereich 206 aufweisen. Die Hauptverbrennungskammer 206 ist generell stromab in Bezug auf eine Injektorplatte 208 angeordnet. Die Injektorplatte 208 kann aus der Verbrennungseinrichtungsanordnung 200 zumindest entfernbar sein, um Änderungen und Testvorgänge zu erleichtern. Die Wärmetauschrohre 48 stellen auch einen Gang für das heiße bzw. erwärmte Oxidationsmittel oder hypergolische Luft oder Luft bereit, die hypergolisch wird, bevor sie aus der Hauptinjektorplatte 208 austritt. Nichtsdestotrotz sind die Wärmetauscherrohre 48 generell mit der Hauptinjektorplatte 208 oder einer Dichtung (nicht gezeigt) verbunden, an die die Wärmetauscherrohre 48 im Wesentlichen gelötet oder fixiert sind. Die verbleibenden Teile der Verbrennungseinrichtungsanordnung 200 sind im Wesentlichen ähnlich zu den in den 1 und 2 dargestellten Teilen.
Das ausgewählte Oxidationsmittel und ein erster Teil des Brennstoffs werden in dem Vormischabschnitt 202 gemischt, und zwar in einem Bereich einer Überlappung oder eines Wärmeaustausches, der gebildet ist, dort, wo sich die Kühlrohre 44 mit den Wärmetauscherrohren 48 in einem Überlappungsabschnitt 212 überlappen. Obgleich die Form der Verbrennungseinrichtung 200 unterschiedlich sein kann gegenüber der Form der Verbrennungseinrichtung 14, die in 2 dargestellt ist, können der Zweck und der Betrieb im Wesentlichen ähnlich sein. Nichtsdestotrotz kann die Hauptinjektorplatte 208 leicht aus der Verbrennungseinrichtungsanordnung 200 entfernt werden, und zwar über einen lokalen Hauptbrennstoffzuführport 214. Die Hauptbrennstoffleitung 38 ist mit der Hauptinjektorplatte 208 über den Brennstoffzuführport 214 verbunden. Daher wird der Brennstoff, anstelle des Zuführen des Brennstoffes über die Mitte der Verbrennungseinrichtung 200, in der Nähe der Hauptinjektorplatte 208 bereitgestellt, um die Hauptinjektorplatte 208 leicht entfernen zu können.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 10 und zusätzlich unter Bezugnahme auf 11 wird folgendes erläutert, wobei in 11 der äußere Teil der Verbrennungseinrichtung 200 entfernt worden ist, um die Hauptinjektorplatte 208 im Detail darzustellen. Die Hauptinjektorplatte 208 definiert eine Vielzahl von Oxidationsmittelgängen 216, durch die das erwärmte Oxidationsmittel aus den Wärmetauscherrohren 48 herausströmt. Das erwärmte Oxidationsmittel strömt in den Hauptverbrennungsbereich 206, der als der Bereich stromab in Bezug auf eine stromabseitige Stirnseite 208a der Hauptinjektorplatte 208 definiert ist. Brennstoff wird den Bereichen zwischen den Oxidationsmittelgängen 216 über eine Vielzahl von Injektorplatten-Brennstoffgängen 218 bereitgestellt. Die Hauptinjektorplatten-Brennstoffgänge 218 erstrecken sich von dem Brennstoffport 214 zu den Bereichen zwischen den Oxidationsmittelgängen 216, und zwar hin zu Injektoren oder dem Injektorelement 60.
Wie es in 11 gezeigt ist, definiert die Hauptinjektorplatte 208 eine Vielzahl der Hauptinjektorplattenbrennstoffgänge 218, und zwar derart, dass Brennstoff jedem einer Vielzahl von Bereichen zwischen den Oxidationsmittelgängen 216 bereitgestellt werden kann. Die Hauptinjektorplatte 208 definiert eine Dicke, die geeignet ist, um den Brennstoff den Einspritzbereichen zuzuführen. Die Dicke der Injektorplatte 208 kann jede beliebige geeignete Dicke sein, um verschiedene Anforderungen zu erfüllen. Nichtsdestotrotz stellt die Injektorplatte 208 den letzten Gang bzw. Pfad für den Brennstoff bereit, wenn diese hin zu den Injektorbereichen strömt, um in den Verbrennungsbereich 206 eingespritzt zu werden.
Da der Brennstoffport 214 mit der Injektorplatte 206 verbunden ist, kann die Hauptbrennstoffleitung 38 gelöst und die Injektorplatte 208 aus der Verbrennungseinrichtungsanordnung 200 entfernt werden. Dies kann aus jedem beliebigen geeigneten Grund erfolgen, wie z.B. zum Reinigen der Injektoren in der Injektorplatte 208, zum Ändern bzw. Auswechseln der Injektoren in der Injektorplatte 208, oder aus irgendeinem anderen geeigneten Grund. Daher sollen die Wärmetauscherrohre 48 generell nicht an der Hauptinjektorplatte 206 festgelegt sein, sondern sind stattdessen an einer Dichtung oder einem zweiten Teil festgelegt, der dazu in der Lage ist, die Hauptinjektorplatte 208 im Wesentlichen abzudichten oder daran anzugreifen, und zwar derart, dass das Oxidationsmittel in dem geeigneten Bereich bereitgestellt wird.
Die vorliegende Erfindung stellt folglich eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit, die die Erzeugung von NOX-Emissionen nahezu oder vollständig eliminiert. Vorteilhaft erweise wird dies erzielt, ohne die Konstruktion der gasgetriebenen Turbine 10 oder der Verbrennungseinrichtungen 14 signifikant komplizierter zu machen.
Die Beschreibung der Erfindung ist naturgemäß lediglich beispielhaft, und Variationen, die vom Grundgedanken der Erfindung nicht abweichen, sollen sich demzufolge innerhalb des Schutzbereiches der Erfindung befinden. Derartige Variationen werden nicht als ein Abweichen vom Geist und Schutzbereich der Erfindung betrachtet.

Claims

Verbrennungssystem zur Verwendung in einer Turbine, die einen Brennstoff in Anwesenheit eines Oxidationsmittels verbrennt, wobei das System Distickstoffoxid-Emissionen im Wesentlichen eliminiert, mit: einem Wärmetauscher, der aufweist: – ein erstes Glied, das einen Katalysatorgang definiert, der sich entlang einer ersten Achse erstreckt; und – ein zweites Glied, das einen Kühlgang definiert, der sich entlang einer zweiten Achse erstreckt; – wobei der Katalysatorgang mit dem Kühlgang thermisch in Kontakt steht; einem Katalysator, der innerhalb des Katalysatorganges angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, den Brennstoff mit dem Oxidationsmittel zu verbrennen; und wobei das Oxidationsmittel dazu ausgelegt wird, zunächst an dem Katalysatorgang vorbei und durch den Kühlgang hindurch zu strömen, wodurch es von dem Katalysatorgang thermische Energie aufnimmt.
Verbrennungssystem nach Anspruch 1, wobei das erste Glied eine Vielzahl von Katalysatorgliedern aufweist, die eine Vielzahl von Katalysatorsäulen bilden, die jeweils quer zu der ersten Achse beabstandet sind und die eine Vielzahl von Kanälen definieren, die dazu ausgelegt sind, Luft durch sich hindurch strömen zu lassen; wobei das zweite Glied eine Vielzahl von Kühlrohren aufweist, die eine Vielzahl von Kühlrohrsäulen bilden, die jeweils quer zu der zweiten Achse beabstandet sind; und wobei die Kühlrohre sich im Wesentlichen benachbart zu den Katalysatorgliedern entlang der zweiten Achse erstrecken, und zwar zumindest über einen Abschnitt der Länge der Katalysatorglieder.
Verbrennungssystem nach Anspruch 2, wobei die Katalysatorglieder, die Kühlrohre und die Kanäle zusammen einen Strömungspfad für das Oxidationsmittel definieren, derart, dass das Oxidationsmittel durch Hindurchströmen durch die Kanäle und die Kühlrohre thermische Energie von den Katalysatorgliedern empfangen kann.
Verbrennungssystem nach Anspruch 1, wobei der Katalysator ein Material aufweist, das dazu in der Lage ist, einen Brennstoff in dem Oxidationsmittel unterhalb von etwa 1.500 °C zu verbrennen.
Verbrennungssystem nach Anspruch 1, ferner mit: einem Wärmetauschbereich; einem Vormischbereich zum Mischen eines ersten Teils des Brennstoffes mit der Luft; einem Hauptinjektorbereich, der wenigstens einen Injektor für die Katalysatorglieder aufweist; wobei der Hauptinjektor dazu ausgelegt ist, einen zweiten Teil des Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel derart zu mischen, dass die Temperatur über den Bereich des Injektors im Wesentlichen gleich ist.
Verbrennungssystem nach Anspruch 5, wobei der Hauptinjektor betriebsbereit ist, um den Brennstoff einzuspritzen, der wenigstens einen Brennstoff von Methangas, Erdgas, kohlenstoff basiertem Gas, Wasserstoffgas, einem Synthesis-Gas, oder Kombinationen hiervon aufweist.
Verbrennungssystem nach Anspruch 5, wobei der Hauptinjektor betriebsbereit ist, um wenigstens zwei der folgenden Brennstoffe einzuspritzen, und zwar einschließlich von Methan, Wasserstoff, Erdgas, kohlenstoffbasierten Brennstoffen und Kombinationen hiervon.
Verbrennungssystem nach Anspruch 5, wobei der Hauptinjektor betriebsbereit ist, um während einer ersten Zeitspanne einen ersten Brennstoff einzuspritzen und während einer zweiten Zeitspanne einen zweiten Brennstoff einzuspritzen.
Verbrennungssystem nach Anspruch 8, wobei der ersten Brennstoff und der zweite Brennstoff im Wesentlichen eine ähnliche Injektortriebkraft („Injektormomentum") aufweisen.
Verbrennungssystem nach Anspruch 1, ferner mit Flügeln, die dazu ausgelegt sind, die Luftströmung um das Katalysatorrohr herum zu richten.
Verbrennungssystem nach Anspruch 1, wobei der Kühlgang einen Kühlflügel aufweist und wobei der Katalysatorgang einen Katalysatorflügel aufweist.
Verbrennungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Achse und die zweite Achse für zumindest einen Abschnitt des Katalysatorganges und des Kühlganges parallel verlaufen.
Verbrennungssystem mit: einem Kompressor, der dazu ausgelegt ist, komprimierte atmosphärische Luft zu erzeugen; einem Verbrennungssystem zum Mischen und Verbrennen von Brennstoff, der in die komprimierte atmosphärische Luft eingespritzt wird, um expandierende Gase zu erzeugen; einer Turbine, die von den expandierenden Gasen angetrieben wird; wobei das Verbrennungssystem aufweist: eine erste Brennstoffzuführeinrichtung, um der komprimierten atmosphärischen Luft Brennstoff zuzuführen; einen Wärmetauscher, der einen Katalysatorabschnitt aufweist, mit einem Katalysator, der innerhalb des Katalysatorabschnittes angeordnet ist, wobei die komprimierte Luft und der Brennstoff durch den Katalysatorabschnitt hindurch strömen; und eine zweite Brennstoffzuführeinrichtung, um der komprimierten atmosphärischen Luft Brennstoff zuzuführen, und zwar nachdem die komprimierte atmosphärische Luft durch den Katalysatorabschnitt hindurch gegangen ist.
Verbrennungssystem nach Anspruch 13, wobei der Katalysatorabschnitt eine Vielzahl von Katalysatorgliedern aufweist, die sich jeweils entlang einer ersten Achse erstrecken; wobei der Wärmetauscher ferner eine Vielzahl von Kühlrohren aufweist, die sich jeweils entlang einer zweiten Achse erstrecken, die zumindest über eine ausgewählte Länge generell parallel zu der ersten Achse ausgerichtet ist; wobei die Katalysatorglieder so angeordnet sind, dass sie eine Vielzahl von Säulen bilden, die quer zu der ersten Achse beabstandet sind und eine Vielzahl von Kanälen definieren; und wobei die Kühlrohre in einer Vielzahl von Säulen angeordnet sind und sich über eine Distanz entlang der Katalysatorglieder erstrecken und generell senkrecht zu den Kanälen ausgerichtet sind.
Verbrennungssystem nach Anspruch 14, wobei die Katalysatorglieder, die Kühlrohre und die Kanäle einen Strömungspfad für die komprimierte atmosphärische Luft definieren, derart, dass die komprimierte atmosphärische Luft dazu ausgelegt wird, thermische Energie von den Katalysatorgliedern zu empfangen, indem sie durch die Kanäle und die Kühlrohre hindurch strömt.
Verbrennungssystem nach Anspruch 14, wobei thermische Energie auf die komprimierte atmosphärische Luft übertragen wird, wenn diese durch den Wärmetauscher hindurch strömt, derart, dass der Brennstoff aus der ersten Brennstoffzuführeinrichtung mittels des Katalysators verbrannt wird.
Verbrennungssystem nach Anspruch 14, ferner mit: einem Wärmetauscherbereich; einem Vormischbereich zum Mischen eines ersten Teils des Brennstoffes mit der Luft; einem Hauptinjektorbereich, der wenigstens einen Injektor für das Katalysatorrohr aufweist; wobei ein zweiter Teil des Brennstoffes mit der komprimierten atmosphärischen Luft in dem Hauptinjektor gemischt wird; und wobei der Hauptinjektor dazu ausgelegt ist, den zweiten Teil des Brennstoffes mit der komprimierten atmosphärischen Luft derart zu mischen, dass die Temperatur über den Bereich des Injektors im Wesentlichen gleich ist.
Verbrennungssystem nach Anspruch 17, wobei der Hauptinjektor betriebsbereit ist, um einen Brennstoff einzuspritzen, einschließlich von wenigstens Wasserstoff, mit Methan, Erdgas, kohlenstoffbasiertem Brennstoff, einem Synthesis-Gas und Kombinationen hiervon.
Verbrennungssystem nach Anspruch 17, wobei der Hauptinjektor wenigstens zwei unterschiedliche Brennstoffe zu unterschiedlichen Zeiten mit im Wesentlichen ähnlichen Ergebnissen einspritzen kann.
Verbrennungssystem nach Anspruch 17, wobei der wenigstens eine Injektor eine Vielzahl von Injektoren aufweist, wobei die Vielzahl von Injektoren wenigstens einen Brennstoff von Methanbrennstoff, Wasserstoffbrennstoff, Synthesis-Brennstoff, Erdgasbrennstoff und Kombinationen hiervon mit dem Oxidationsmittel im Wesentlichen vermischt.
Verbrennungssystem nach Anspruch 13, wobei der Katalysatorabschnitt einen Katalysatorflügel aufweist.
Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffes in Anwesenheit von atmosphärischer Luft, während die Emission von Distickstoffoxidverbindungen im Wesentlichen eliminiert wird, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Wärmetauschers mit einer Vielzahl von Gängen; Anordnen eines Katalysators in zumindest einer Teilmenge der Gänge; Bilden einer ersten Brennstoff-Luft-Mischung durch Mischen eines ersten Teils des Brennstoffes und der Luft; Erzeugen eines Selbstzündungs-Luftstromes, indem die erste Brennstoff-Luft-Mischung durch Inkontaktbringen der ersten Brennstoff-Luft-Mischung mit dem Katalysator verbrannt wird; und Erwärmen der Luft durch Übertragen eines Teils der thermischen Energie von den Gängen auf die Luft.
Verfahren nach Anspruch 22, ferner mit: Bilden einer zweiten Brennstoff-Luft-Mischung, indem dem Selbstzündungs-Luftstrom ein zweiter Teil von Brennstoff hinzugegeben wird; und Erzeugen eines expandierenden Gases durch Verbrennen der zweiten Brennstoff-Luft-Mischung, wobei das expandierende Gas auftritt, wenn der Brennstoff in der zweiten Brennstoff-Luft-Mischung die Temperatur des Selbstzündungs-Luftstromes erreicht.
Verfahren nach Anspruch 23, ferner mit dem Schritt, eine Turbine mittels des expandierenden Gases anzutreiben.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die erste Brennstoff-Luft-Mischung ein Äquivalenzverhältnis zwischen etwa 0,10 und etwa 0,30 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die zweite Brennstoff-Luft-Mischung ein Äquivalenzverhältnis zwischen etwa 0,40 und etwa 0,60 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Selbstzündungs-Luftstrom eine Temperatur zwischen etwa 760 °C (1400 °F) und 871 °C (1600 °F) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt des Erwärmens der Luft beinhaltet, einen Teil der thermischen Energie zu übertragen, die in den Gängen erzeugt wird, wenn der Katalysator den Selbstzündungs-Luftstrom bildet.
Verbrennungssystem zur Verwendung in einer gasgetriebenen Turbine, das einen Brennstoff in Anwesenheit eines Oxidationsmittels verbrennt, während Distickstoffoxid-Emissionen im Wesentlichen eliminiert werden, mit: einem Vorheizer, um ein Volumen eines Oxidationsmittels zu erwärmen, um ein Volumen eines Oxidationsmittels hoher Energie zu bilden; einem Injektorglied, um einen Brennstoff, der eine hohe Temperatur aufweist, in das Volumen des Oxidationsmittels hoher Energie einzuspritzen; einem Injektorport, der durch das Injektorglied definiert ist, um den Brennstoff dem Volumen des Oxidationsmittels hoher Energie bereitzustellen, bevor ein wesentlicher Teil des Brennstoffes verbrennt; und wobei der Brennstoff eine Selbstzündungstemperatur besitzt und im Wesentlichen der gesamte Brennstoff, der über den Injektorport bereitgestellt wird, seine Selbstzündungstemperatur im Wesentlichen gleichzeitig erreicht.
Verbrennungssystem nach Anspruch 29, wobei der Vorheizer aufweist: einen Katalysatorgang, der einen Katalysator aufweist, der darin angeordnet ist; einen Kühlgang; und wobei der Katalysatorgang und der Kühlgang sich über eine ausgewählte Distanz im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken.
Verbrennungssystem nach Anspruch 30, wobei der Katalysatorgang eine Vielzahl von Katalysatorgliedern aufweist, die eine Vielzahl von Katalysatorsäulen bilden, die jeweils quer zu der ersten Achse beabstandet sind und die eine Vielzahl von Kanälen definieren, die dazu ausgelegt sind, dass das Oxidationsmittel hier hindurch strömen kann; wobei der Kühlgang eine Vielzahl von Kühlrohren aufweist, die eine Vielzahl von Kühlsäulen bilden, die jeweils quer zu der zweiten Achse beabstandet sind; und wobei die Kühlsäulen sich im Wesentlichen benachbart zu den Katalysatorsäulen entlang der zweiten Achse erstrecken, und zwar zumindest für einen Abschnitt der Länge der Katalysatorsäulen.
Verbrennungssystem nach Anspruch 29, ferner mit: wenigstens einem ersten und einem zweiten Injektorport; wobei ein erster Brennstoffstrom von dem ersten Injektorport erzeugt wird; und wobei ein zweiter Brennstoffstrom von dem zweiten Injektorport erzeugt wird; wobei der erste Brennstoffstrom und der zweite Brennstoffstrom aufeinander treffen, um eine Brennstoffwolke zu bilden, und zwar vor dem Schnittpunkt mit Luft hoher Energie.
Verbrennungssystem nach Anspruch 32, wobei der erste Brennstoffstrom und der zweite Brennstoffstrom sich unter einem Winkel zwischen etwa 20° und etwa 150° schneiden.
Verbrennungssystem nach Anspruch 32, ferner mit: einem Brennstoffpfad, der in dem Injektorglied gebildet ist, derart, dass der erste Brennstoffstrom und der zweite Brennstoffstrom, die von dem ersten bzw. dem zweiten Injektorport bereitgestellt werden, sich schneiden, um die Brennstoffwolke zu erzeugen.
Verbrennungssystem nach Anspruch 29, wobei der Injektorport im Wesentlichen eine Rechteckform besitzt, derart, dass ein Brennstoffstrom abgeflacht wird, wenn der Brennstoffstrom aus dem Injektorport austritt.
Verbrennungssystem nach Anspruch 29, wobei der Brennstoff wenigstens ein Brennstoff von Methan, Wasserstoff, Erdgas, Synthesis-Brennstoff und Kombinationen hiervon ist.
Verbrennungssystem nach Anspruch 28, wobei der Brennstoff wenigstens einen ersten und einen zweiten Brennstoff aufweist, die zu unterschiedlichen Zeiten zu verwenden sind; wobei der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff unterschiedlich sind.
Gasgetriebene Turbine mit: einem Kompressor, um komprimierte atmosphärische Luft zu erzeugen, um für die gasgetriebene Turbine ein Oxidationsmittel bereitzustellen; einem Verbrennungssystem zum Mischen und Verbrennen eines in die komprimierte atmosphärische Luft eingespritzten Brennstoffes, um ein expandierendes Gas zu erzeugen; einem Turbinenflügel, der von den expandierenden Gasen angetrieben wird; wobei das Verbrennungssystem aufweist: einen Vorheizbereich; eine erste Brennstoffleitung, um einen ersten Teil von Brennstoff der komprimierten atmosphärischen Luft zuzuführen, der in dem Vorheizbereich verbrannt wird, um die komprimierte atmosphärische Luft auf eine hypergolische Temperatur zu erwärmen, um hypergolische Luft zu erzeugen; eine zweite Brennstoffleitung, um einen zweiten Teil von Brennstoff der hypergolischen Luft zuzuführen; ein Injektorsystem, um den zweiten Teil von Brennstoff der hypergolischen Luft bereitzustellen, bevor ein irgendein wesentlicher Teil des zweiten Teils von Brennstoff verbrennt; und wobei im Wesentlichen der gesamte zweite Teil von Brennstoff im Wesentlichen zur gleichen Zeit verbrennt, derart, dass die gasgetriebene Turbine im Wesentlichen keine Distickstoffoxid-Verbindungen emittiert.
Turbine nach Anspruch 38, ferner mit: der Luft, bevor die Luft in den Vorheizbereich eintritt; einer Hauptinjektorplatte, die wenigstens einen ersten und einen zweiten Injektor aufweist; und einem Verbrennungsbereich, in dem die zweite Zufuhr von Brennstoff verbrannt wird.
Turbine nach Anspruch 39, ferner mit: einem ersten Brennstoffstrom, der von dem ersten Injektorport erzeugt wird; und einem zweiten Brennstoffstrom, der von dem zweiten Injektorport erzeugt wird; wobei der erste Brennstoffstrom und der zweite Brennstoffstrom aufeinander auftreffen, um eine Brennstoffwolke zu bilden, bevor sie die hypergolische Luft schneiden.
Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffes für eine gasgetriebene Turbine in Anwesenheit von atmosphärischer Luft, während die Emission von Distickstoffoxid-Verbindungen im Wesentlichen eliminiert wird, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen eines Selbstzündungs-Luftstromes, wobei ein Brennstoff homogen verbrennt, und zwar spontan bei Erreichen der Temperatur des Selbstzündungs-Luftstromes; Bereitstellen eines ersten Teils des Brennstoffes für den Selbstzündungs-Luftstrom; und Mischen des ersten Teils von Brennstoff mit dem Selbstzündungs-Luftstrom, bevor im Wesentlichen irgendein Teil des ersten Teils von Brennstoff verbrennt, um die Emission von Distickstoffoxid-Verbindungen im Wesentlichen zu eliminieren.
Verfahren nach Anspruch 41, ferner mit: Erzeugen eines expandierenden Gases durch Verbrennen des ersten Teils von Brennstoff in dem Selbstzündungs- Luftstrom, wobei das expandierende Gas auftritt, wenn der Teil von Brennstoff in dem Selbstzündungs-Luftstrom verbrennt, und zwar bei Erreichen der Temperatur des Selbstzündungs-Luftstromes.
Verfahren nach Anspruch 42, ferner mit dem Schritt des Antreibens einer Turbine mit dem expandierenden Gas.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei der Selbstzündungs-Luftstrom eine Temperatur zwischen etwa 760 °C (1400 °F) und 871 °C (1600 °F) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Mischen des ersten Teils von Brennstoff ferner beinhaltet: Auftreffenlassen eines ersten Brennstoffstromes auf einen zweiten Brennstoffstrom, um eine Brennstoffwolke zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei das Auftreffen des ersten Brennstoffstromes auf den zweiten Brennstoffstrom unter einem Winkel zwischen etwa 20° und etwa 150° erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 46, ferner mit: Bilden des ersten Brennstoffstromes und des zweiten Brennstoffstromes als im Wesentlichen flache Ströme, und zwar bevor man die Ströme aufeinander auftreffen lässt.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Mischen des ersten Teils von Brennstoff ferner beinhaltet, dem Selbstzündungs-Luftstrom einen im Wesentlichen flachen Brennstoffstrom bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei das Erzeugen eines Selbstzündungs-Luftstromes ferner aufweist: Bilden einer Brennstoff-Luft-Mischung durch Mischen eines zweiten Teils von Brennstoff mit einem Luftvolumen; und Verbrennen des zweiten Teils von Brennstoff in dem Luftvolumen, wobei das Verbrennen des zweiten Teils von Brennstoff die Temperatur des Luftvolumens auf eine Selbstzündungs-Temperatur erhöht.
Verbrennungssystem zum Verbrennen eines Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel, mit: einem ersten Strömungsgang, der im Wesentlichen in einer ersten Ebene angeordnet ist; einem zweiten Strömungsgang, der im Wesentlichen in der ersten Ebene angeordnet ist; und einer Verbindung zwischen dem ersten Gang und dem zweiten Gang; wobei eine Strömung eines Fluides in dem ersten Gang in einer ersten Richtung strömt und in dem zweiten Gang in einer zweiten Richtung strömt; wobei die Verbindung dazu beiträgt, dass die Strömung ihre Richtung ändert, und zwar von dem ersten Gang zu dem zweiten Gang.
Verbindungssystem nach Anspruch 50, ferner mit: einem ersten Glied, das den ersten Strömungsgang definiert, und zwar durch das erste Glied hindurch; und einem zweiten Glied, das den zweiten Strömungsgang definiert, und zwar durch das zweite Glied hindurch; wobei die Strömung im Wesentlichen eingegrenzt ist, so dass sie innerhalb des ersten Gliedes erfolgt, während sie in dem ersten Gang ist, und innerhalb des zweiten Gliedes erfolgt, während sie in dem zweiten Gang ist.
Verbrennungssystem nach Anspruch 51, wobei das erste und das zweite Glied eine Vielzahl von im Wesentlichen rechteckigen bzw. quadratischen Rohren aufweisen, die in einer Wärmeübertagungsnähe zueinander angeordnet sind.
Verbrennungssystem nach Anspruch 52, wobei ein Katalysator in dem ersten Glied und/oder dem zweiten Glied angeordnet ist, derart, dass der Katalysator mit der hindurchströmenden Strömung in Eingriff bzw. Kontakt gelangen kann.
Verbrennungssystem für eine gasbetriebene Turbine zur Verbrennung eines Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel zur Bildung eines Gases, wobei das Verbrennungssystem aufweist: einen Vormischabschnitt, um ein erstes ausgewähltes Volumen des Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel zu mischen; eine Hauptverbrennungskammer; einen Wärmetauscher, um das Oxidationsmittel zu erwärmen, und zwar vor dem Mischen mit dem ersten ausgewählten Brennstoffvolumen, mit: einer Vielzahl von Katalysatorrohren, die sich entlang einer ersten Achse erstrecken, um eine Strömung des Oxidationsmittels hin zu der Verbrennungskammer zu richten; einer Vielzahl von Kühlrohren, die sich entlang einer zweiten Achse erstrecken; wobei die Vielzahl von Kühlrohren die Strömung des Oxidationsmittels in einer ersten Richtung richten und wobei die Vielzahl von Katalysatorrohren die Strömung des Oxidationsmittels in einer zweiten Richtung richten, und zwar nachdem das Oxidationsmittel mit dem ersten Brennstoffvolumen vermischt worden ist.
Verbrennungssystem nach Anspruch 54, wobei die Kühlrohre sich in den Vormischabschnitt hinein erstrecken können, um diskret eine Strömung des Oxidationsmittels in den Vormischabschnitt hinein zu definieren.
Verbrennungssystem nach Anspruch 54, ferner mit: einem Katalysator, der mit den Katalysatorrohren betriebsbereit ist, um das erste ausgewählte Brennstoffvolumen zu verbrennen, wenn das erste ausgewählte Brennstoffvolumen durch die Katalysatorrohre hindurchströmt.
Verbrennungssystem nach Anspruch 54, ferner mit: einem Hauptinjektor; wobei der Hauptinjektor betriebsbereit ist, um ein zweites ausgewähltes Volumen von Brennstoff in die Hauptverbrennungskammer hinein einzuspritzen.
Verbrennungssystem nach Anspruch 57, wobei der Hauptinjektor, betriebsbereit ist, um einen Brennstoff einzuspritzen, der wenigstens einen Brennstoff von Synthesis, Wasserstoff, Methan, Erdgas, einem kohlenstoffbasierten Brennstoff und Kombinationen hiervon aufweist.
Verbrennungssystem nach Anspruch 57, wobei der Hauptinjektor betriebsbereit ist, den Brennstoff einzuspritzen, bevor im Wesentlichen irgendein Teil des Brennstoffes eine Selbstzündungstemperatur erreicht.
Verbrennungssystem nach Anspruch 59, wobei der Brennstoff einen ersten Brennstoff und einen zweiten Brennstoff aufweist, wobei der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff unterschiedlich sind.