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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Brennkammer einer Gasturbine, die
vorzugsweise bei einer Gasturbine mit hohem Druckverhältnis eingesetzt wird
und die so gestaltet werden kann, dass eine stabile Verbrennung
erreicht und das Auftreten von Stickoxiden (NOx)
reduziert wird.
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Eine
zur Energieerzeugung eingesetzte Gasturbine besteht aus einem Kompressor,
einer Brennkammer und einer Turbine als Hauptelemente. Viele Gasturbinen
haben mehrere Brennkammern, mischen von dem Kompressor komprimierte
Luft und einen den Brennkammern zugeführten Brennstoff und verbrennen
das Gemisch in jeder Brennkammer, um ein Verbrennungsgas bei hoher
Temperatur zu erzeugen. Das Hochtemperatur-Verbrennungsgas wird der Turbine zugeführt, um
die Turbine zur Drehung anzutreiben.
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Ein
Beispiel der Brennkammer einer herkommlichen Gasturbine wird im
folgenden mit Bezug auf 8 beschrieben.
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Wie
in 8 gezeigt ist, sind
mehrere Brennkammern 10 der Gasturbine in einer ringförmigen Konfiguration
in einem Brennkammergehäuse 11 (in 8 ist nur eine Brennkammer
dargestellt) angeordnet. Das Brennkammergehäuse 11 und ein Gasturbinengehäuse 12 sind
mit Druckluft gefüllt
und bilden ein Gehäuse 13.
Von einem Kompressor komprimierte Luft wird in das Gehäuse 13 eingeleitet.
Die eingeleitete Druckluft tritt ins Innere der Brennkammer 10 über einen
Luftströmungseinlass 14 ein,
der an einem stromaufwärtigen
Abschnitt der Brennkammer 10 vorgesehen ist. Innerhalb
eines inneren Rohrs 15 der Brennkammer 10 werden
ein durch Brennstoffdüsen 16 zugeführter Brennstoff
und Druckluft gemischt, um zu verbrennen. Ein durch die Verbrennung
erzeugtes Verbrennungsgas wird einem Turbinenraum über ein Übergangsrohr 17 zugeführt, um
einen Turbinenrotor zu drehen.
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In
den vergangenen Jahren sind Umweltverordnungen verschärft worden,
und es sind verschiedene Verbesserungen vorgenommen worden, um die Konzentrationen
von NOx (Stickoxiden) in einem Abgas der
Gasturbine zu mindern. Der sogenannte Fett-Mager-Verbrennungsprozess
ist als zur Minderung des Auftretens von NOx konzipierte
Gasturbinen-Verbrennungstechnologie
bekannt.
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Gemäß dem Fett-Mager-Verbrennungsprozess
(rich-lean combustion process) wird eine Verbrennung in einem brennstoffreichen
Zustand (das heißt,
einem fetten Zustand) in einem ersten Verbrennungsbereich durchgeführt (in
dem Beispiel von 8 beispielsweise
einem Mittelbereich eines Innenraums des inneren Rohrs 15),
während
eine Verbrennung in einem brennstoffarmen Zustand (das heißt, einem
mageren Zustand) in einem zweiten Verbrennungsbereich durchgeführt wird
(in dem Beispiel von 8 beispielsweise
einem Umfangsrandbereich des Innenraums des inneren Rohrs 15).
In diesem Fall wird das Brennstoff-Luft-Verhältnis der gesamten Brennkammer
(das heißt,
das Gesamt-Brennstoff-Luft-Verhältnis, das
durch Mitteln der Brennstoff-Luft-Verhältnisse
im fetten Zustand und der Brennstoff-Luft-Verhältnisse
im mageren Zustand erhalten wird) so gesteuert, dass es einen dem Betriebszustand
der Gasturbine entsprechenden Wert annimmt. Im Fall einer solchen
Fett-Mager-Verbrennung
findet eine komplette diffusive Verbrennung (Verbrennung ohne Vormischen
mit Luft) in dem fetten Verbrennungsbereich statt, und eine vollständige Vorgemischverbrennung
wird in dem mageren Verbrennungsbereich durchgeführt.
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Wie
allgemein bekannt ist, ist die Beziehung zwischen dem Brennstoff-Luft-Verhältnis (Äquivalenzverhältnis) und
der Menge an erzeugtem NOxso, wie sie in 9 dargestellt ist. Eine
große
Menge an NOx wird bei einem Äquivalenzverhältnis ϕ in
der Umgebung von 1 erzeugt, wobei die Menge an erzeugtem NOx in dem mageren Bereich (ϕ < 1) und in dem fetten
Bereich (ϕ > 1)
klein ist. Der Fett-Mager-Verbrennungsvorgang kann die erzeugte NOx-Menge insgesamt verringern, da dieser Prozess ermöglicht,
dass eine Verbrennung in dem mageren Bereich (ϕ < 1) mit einer geringen
erzeugten NOx-Menge und in dem fetten Bereich
(ϕ > 1) mit
einer ähnlich
geringen Menge an erzeugtem NOx durchgeführt werden
kann.
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Zur
Bezugnahme wird im folgenden das Äquivalenzverhältnis („equivalence
ratio") beschrieben.
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Das Äquivalenzverhältnis ϕ ist
als das Verhältnis
mf/mf* definiert, wobei mf* die Brennstoffmenge ist, die 100% Sauerstoff
bei einer bestimmten Luftmenge verbraucht und vollständig verbrennt,
und mf die Brennstoffmenge ist, die tatsächlich gegeben ist.
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Basierend
auf ϕ = 1, gilt ϕ < 1 als brennstoffarm (mager bzw. „lean") und ϕ > 1 als brennstoffreich (fett
bzw „rich").
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Der
Erfinder dieser Erfindung entwickelt eine Gasturbine der 1700°C-Klasse
mit einem hohen Druckverhältnis
(Druckverhältnis
von 25 oder höher). Bei
einer solchen Gasturbine mit hohem Druckverhältnis ist die Temperatur der
in die Brennkammer strömenden
Luft sehr hoch (550 bis 600°C).
Bei einer herkömmlichen
Gasturbine lag das Druckverhältnis in
der Größenordnung
von 20 bis 21 und die Temperatur der in die Brennkammer strömenden Luft
lag in der Größenordnung
von 450°C.
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Bei
der Gasturbine mit einem derart hohen Druckverhältnis haben sich die folgenden
Nachteile herausgestellt, falls die Fett-Mager-Verbrennungstechnologie
nach dem Stand der Technik unverändert
angewandt wird:
- (1) Da das Druckverhältnis hoch
ist und die Luft (Gas) energie hoch ist, kommt es sehr leicht zu
einem sogenannten "Flashback" an einem Vorgemisch-Düsenabschnitt
zur Bildung einer mageren Verbrennung.
- (2) Auf der fetten Verbrennungsseite findet eine vollständige diffusive
Verbrennung bei einem Äquivalenzverhältnis von
1 statt. Somit ist die Temperatur von in die Brennkammer strömender Luft
sehr hoch (500 bis 600°C).
Teilweise wird aus diesem Grund die Temperatur der Flammenfront so
hoch, dass leicht NOx entsteht.
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Die
Erfindung wurde in Anbetracht der oben beschriebenen Probleme bei
den früheren
Technologien getätigt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer bereitzustellen,
bei der eine stabile Verbrennung und eine Abnahme von NOx auch bei einer Gasturbine mit hohem Druckverhältnis, die
sich derzeit in der Entwicklung befindet, erreicht werden kann.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe bringt die Erfindung eine Brenkammer gemäß Anspruch
1 in Vorschlag.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung, der die oben erwähnte Aufgabe erfüllt, ist
eine Brennkammer einer Gasturbine, die ein Innenrohr und ein mit
diesem verbundenes Übergangsrohr
aufweist, mit:
einem inneren Verwirbelungselement, das ein
inneres zylindrisches Verwirbelungselementring aufweist, der konzentrisch
in Bezug auf eine Mittelachse des Innenrohrs angeordnet ist, und
mehreren inneren Verwirbelungselementflügeln, die an einer Außenumfangsfläche des
inneren Verwirbelungselementrings vorgesehen sind, und
einem äußeren Verwirbelungselement,
das einen äußeren zylindrischen
Verwirbelungselementring aufweist, der an einer Außenumfangsseite
der inneren Verwirbelungselementflügel und konzentrisch in Bezug
auf den inneren Verwirbelungselementring angeordnet ist, sowie mehreren
an einer Außenumfangsfläche des äußeren Verwirbelungselementrings
vorgesehenen äußeren Verwirbelungselementflügeln,
wobei
das innere Verwirbelungselement und das äußere Verwirbelungselement in
dem Innenrohr angeordnet sind.
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Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkammer einer
Gasturbine gemäß Anspruch
1, wobei Einspritzlöcher
zum Einspritzen eines Brennstoffs in dem inneren Verwirbelungselement
und dem äußeren Verwirbelungselement
ausgebildet sind.
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Ein
dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkammer einer
Gasturbine gemäß Anspruch
1,
wobei Einspritzlöcher
zum Einspritzen eines Brennstoffs in Luft, die zwischen dem inneren
Verwirbelungselementring und dem äußeren Verwirbelungselementring
passiert, zur Bildung eines Luft-Brennstoff-Gemischs in einem brennstoffreichen
bzw. fetten Zustand, an Positionen des inneren Verwirbelungselementrings
stromab der inneren Verwirbelungselementflügel in Bezug auf eine Strömungsrichtung
von Luft und an Positionen des äußeren Verwirbelungselementrings
stromab der inneren Verwirbelungselementflügel in Bezug auf die Strömungsrichtung
von Luft angeordnet sind, und
Einspritzlöcher zum Einspritzen des Brennstoffs
in Luft, die zwischen dem äußeren Verwirbelungselementring
und dem Innenrohr passiert, zur Bildung eines Luft-Brennstoff-Gemischs in einem
brennstoffarmen bzw. mageren Zustand, an Positionen des äußeren Verwirbelungselementrings
stromab der äußeren Verwirbelungselementflügel in Bezug
auf die Strömungsrichtung
von Luft und an Positionen des Innenrohrs stromab der äußeren Verwirbelungselementflügel in Bezug
auf die Strömungsrichtung
von Luft angeordnet sind.
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Ein
vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkammer einer
Gasturbine gemäß Anspruch
1,
wobei Einspritzlöcher
zum Einspritzen eines Brennstoffs in Luft, die zwischen dem inneren
Verwirbelungselementring und dem äußeren Verwirbelungselementring
passiert, um ein Luft-Brennstoff-Gemisch in einem brennstoffreichen
Zustand zu bilden, in einer hinteren Endfläche des inneren Verwirbelungselementrings,
die sich an einer stromabwärtigsten
Position in Bezug auf eine Strömungsrichtung
von Luft befindet, und in einer hinteren Endfläche des äußeren Verwirbelungselementrings,
die sich an einer stromabwärtigsten
Position in Bezug auf die Strömungsrichtung
von Luft befindet, angeordnet sind, und
Einspritzlöcher zum
Einspritzen des Brennstoffs in Luft, die zwischen dem äußeren Verwirbelungselementring
und dem Innenrohr passiert, um Luft-Brennstoff-Gemisch in einem
brennstoffarmen Zustand zu bilden, in einer hinteren Endfläche des äußeren Verwirbelungselementrings,
die eine stromabwärtigste Position
in Bezug auf eine Strömungsrichtung
von Luft ist, und in einer hinteren Endfläche des Innenrohrs, die eine
stromabwärtigste
Position in Bezug auf die Strömungsrichtung
von Luft ist, angeordnet sind.
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Ein
fünfter
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkammer einer Gasturbine
gemäß Anspruch
1,
wobei das innere Verwirbelungselement und das äußere Verwirbelungselement
in dem Innenrohr angeordnet sind, und
wobei Einspritzlöcher zum
Einspritzen eines Brennstoffs zu zwischen dem inneren Verwirbelungselementring
und dem äußeren Verwirbelungselementring
durchströmender
Luft zur Bildung eines Luft-Brennstoff-Gemischs in einem brennstoffreichen Zustand
in hinteren Rändern
bzw. Kanten der inneren Verwirbelungselementflügel angeordnet sind, und
Einspritzlöcher zum
Einspritzen eines Brennstoffs zu zwischen dem äußeren Verwirbelungselementring und
dem Innenrohr durchströmender
Luftzur Bildung eines Luft-Brennstoff-Gemischs
in einem brennstoffarmen bzw. mageren Zustand in hinteren Rändern bzw.
Kanten der äußeren Verwirbelungselementflügel angeordnet
sind.
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Ein
sechster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkammer
einer Gasturbine gemäß Anspruch
1,
wobei Einspritzlöcher
zum Einspritzen eines Brennstoffs zu zwischen dem inneren Verwirbelungselementring
und dem äußeren Verwirbelungselementring
strömender
Luft zur Bildung eines Luft-Brennstoff-Gemischs in einem mit Brennstoff
angereicherten Zustand in Flügeloberflächen der
inneren Verwirbelungselementflügel
angeordnet sind, und
Einspritzlöcher zum Einspritzen des Brennstoffs
zu zwischen dem äußeren Verwirbelungselementring und
dem Innenrohr strömender
Luft zur Bildung eines Luft-Brennstoff-Gemischs in einem brennstoffarmen Zustand
in Flügeloberflächen der äußeren Verwirbelungselementflügel angeordnet
sind.
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Bei
der Brennkammer einer Gasturbine können Luftumlenkschaufeln („scoops") zum Herstellen einer
Verbindung zwischen einer Außenseite
des Übergangsrohrs
und einer Innenseite des Übergangsrohrs
in dem Übergangsrohr
vorgesehen sein, um Luft von außerhalb
des Übergangsrohrs
ins Innere des Übergangsrohrs
zu leiten.
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Das
Doppel-Verwirbelungselement, bei dem das innere Verwirbelungselement
und das äußere Verwirbelungselement
konzentrisch angeordnet sind, ist in dem inneren Rohr angeordnet.
Ferner wird an der Innenumfangsseite eine fette Verbrennung durchgeführt, während an
der Außenumfangsseite eine
magere Verbrennung stattfindet. Somit kann NOx gemindert
und eine stabile Verbrennung erzielt werden.
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Ferner
kann, falls das Übergangsrohr
mit den Umlenkschaufeln versehen ist, der Hochtemperaturbereich
in dem Übergangsrohr
zufriedenstellend gekühlt
werden und NOx weiter gemindert werden.
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Die
vorstehenden und weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der Lektüre der folgenden
detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
hervor, in denen zeigen:
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1 eine
Längsschnittansicht
zur Darstellung einer Brennkammer gemäß einer Ausführungsform
1 der Erfindung,
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2 eine
Vorderansicht zur Darstellung der Brennkammer gemäß der Ausführungsform
1 der Erfindung,
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3 eine
Längsschnittansicht
zur Darstellung einer Brennkammer gemäß einer Ausführungsform
2 der Erfindung,
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4 eine
Schnittansicht zur Darstellung eines Verwirbelungsflügels der
Brennkammer gemäß der Ausführungsform
2 der Erfindung,
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5 eine
Längsschnittansicht
zur Darstellung einer Brennkammer gemäß einer Ausführungsform
3 der Erfindung,
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6 eine
Schnittansicht zur Darstellung eines Verwirbelungsflügels der
Brennkammer gemäß der Ausführungsform
3 der Erfindung,
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7 eine
Längsschnittansicht
zur Darstellung einer Brennkammer gemäß einer Ausführungsform
4 der Erfindung,
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8 eine
Konfigurationszeichnung zur Darstellung einer herkömmlichen
Brennkammer, und
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9 eine
charakteristische Ansicht zur Darstellung der Beziehung zwischen
dem Äquivalenzverhältnis und
der erzeugten NOX-Menge.
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Im
folgenden werden Ausführungsformen der
Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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Ausführungsform 1:
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Eine
Brennkammer 100 gemäß der Ausführungsform
1 der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf 1,
die eine Längsschnittansicht
ist, und 2, die eine Vorderansicht ist,
beschrieben. Die Brennkammer 100 gemäß der Ausführungsform 1 wird bei einer
Gasturbine der 1700°C-Klasse
mit hohem Druckverhältnis
(Druckverhältnis
von 25 oder mehr) eingesetzt, die sich neuerdings in Entwicklung befindet.
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Wie
in den 1 und 2 gezeigt ist, ist der hintere
Rand eines inneren Rohrs 110 mit dem vorderen Rand eines Übergangsrohrs 130 über einen
Verbindungsring 120 verbunden.
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Ein
inneres Verwirbelungselement 140 und ein äußeres Verwirbelungselement 150 sind
innerhalb des Innenrohrs 110 angeordnet. Das heißt, das innere
Verwirbelungselement 140 an der Innenumfangsseite und das äußere Verwirbelungselement 150 an
der Außenumfangsseite
sind konzentrisch um die Mittelachse des Innenrohrs 110 herum
angeordnet. Durch das innere Verwirbelungselement 140 und das äußere Verwirbelungselement 150 ist
ein Doppel-Verwirbelungselement 200 gebildet.
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Ein
Verwirbelungselementring 141 des inneren Verwirbelungselements 140 ist
zylindrisch und ist konzentrisch in Bezug auf die Mittelachse des
Innenrohrs 110 angeordnet. Eine Vielzahl (16 bei
dieser Ausführungsform)
von Verwirbelungselementflügeln 142 sind
an der Außenumfangsfläche des
zylindrischen Verwirbelungselementrings 141 vorgesehen. Die
Verwirbelungselementflügel 142 sind
an gleichmäßig beabstandeten
Positionen entlang der Umfangsrichtung der Außenumfangsfläche des
Verwirbelungselementrings 141 angeordnet und sind so installiert,
dass sie sich in der Axialrichtung des Verwirbelungselementrings 141 erstrecken.
Die Verwirbelungselementflügel 142 verwirbeln
durch das Innere des Innenrohrs 110 strömende Druckluft (von links nach
rechts in 1), um einen Luftwirbelstrom
A11 zu bilden.
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Ein
Verwirbelungselementring 151 des äußeren Verwirbelungselements 150 ist
zylindrisch und ist an der Außenumfangsseite
der Verwirbelungselementflügel 142 angeordnet
und konzentrisch in Bezug auf den Verwirbelungselementring 141.
Eine Vielzahl (24 bei dieser Ausführungsform) von Verwirbelungselementflügeln 152 ist
an der Außenumfangsfläche des
zylindrischen Verwirbelungselementrings 151 vorgesehen.
Die Verwirbelungselementflügel 152 sind
an gleichmäßig beabstandeten Positionen
entlang der Außenumfangsrichtung
der Außenumfangsfläche des
Verwirbelungselementrings 151 angeordnet und sind so installiert,
dass sie sich in der Axialrichtung des Verwirbelungselementrings 151 erstrecken.
Die Verwirbelungselementflügel 152 verwirbeln
durch das Innere des Innenrohrs 110 strömende Druckluft (von links
nach rechts in 1), um einen Luftwirbelstrom
A12 zu bilden.
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Der
Verwirbelungselementring 151 des äußeren Verwirbelungselements 150 ist
mit der Innenumfangsfläche
des Innenrohrs 110 über
mehrere Kopplungselemente 160, die mit einem Abstand in der
Umfangsrichtung angeordnet sind, verbunden und an diesem befestigt.
Der Verwirbelungselementring 141 des inneren Verwirbelungselements 140 ist mit
der Innenumfangsfläche
des Verwirbelungselementrings 151 über mehrere mit einem Abstand
in der Umfangsrichtung angeordnete Kopplungselemente 161 verbunden
und an dieser befestigt.
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Wegen
der oben beschriebenen Konfiguration ist ein Luftdurchgang R1 zwischen
der Außenumfangsfläche des
innen gelegenen Verwirbelungselementrings 141 und der Innenumfangsfläche des
außen
gelegenen Verwirbelungselementrings 151 gebildet. Ferner
ist ein Luftdurchgang R2 zwischen der Außenumfangsfläche des äußeren Verwirbelungselementrings 151 und
der Innenumfangsfläche
des Innenrohrs 110 gebildet.
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Dem
Innenraum des Innenrohrs 110 wird über ein Lufteinlassrohr 162 Druckluft
A zugeführt. Diese
Druckluft strömt
in 1 von rechts nach links (sie strömt von der
Position der Anordnung des Lufteinlassrohrs 162 zu dem Übergangsrohr 130),
und strömt
durch das Innere des Innenrohrs 110, während sie sich in Druckluft
A1, die den Luftdurchgang R1 durchströmt, und Druckluft A2, die den
Luftdurchgang R2 durchströmt,
aufteilt.
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Die
den Luftdurchgang R1 durchströmende Druckluft
A1 wird durch die Verwirbelungselementflügel 142 verwirbelt,
um zu dem Luftwirbelstrom A11 zu werden, der vom hinteren Rand des
inneren Verwirbelungselements 140 ausgestoßen wird.
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Die
den Luftdurchgang R2 durchströmende Druckluft
A2 wird durch die Verwirbelungselementflügel 152 verwirbelt,
um zu dem Luftwirbelstrom A12 zu werden, der vom hinteren Rand des äußeren Verwirbelungselements 150 ausgestoßen wird.
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Viele
Einspritzlöcher 171 zum
Einspritzen eines Brennstoff sind an der Hinterendfläche des
inneren Verwirbelungselementrings 141 (der stromabwärtigsten
Position des Verwirbelungselementrings 141 in Bezug auf
die Strömungsrichtung
von Luft) ausgebildet. Diese Einspritzlöcher 171 stoßen den Brennstoff
zu dem durch den Luftdurchgang R1 ausgestoßenen Luftwirbelstrom A11 hin
aus.
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Viele
Einspritzlöcher 172 zum
Einspritzen von Brennstoff sind an der Innenumfangsseite der hinteren
Endfläche
des äußeren Verwirbelungselementrings 151 (der
stromabwärtigsten
Position des Verwirbelungselementrings 151 in Bezug auf
die Strömungsrichtung
von Luft) ausgebildet. Diese Einspritzlöcher 172 stoßen den
Brennstoff zu dem durch den Luftdurchgang R1 ausgestoßenen Luftwirbelstrom
A11 hin aus.
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Viele
Einspritzlöcher 181 zum
Einspritzen von Brennstoffs sind an der Außenumfangsseite der hinteren
Endfläche
des äußeren Verwirbelungselementrings 151 ausgebildet.
Die Einspritzlöcher 181 stoßen den
Brennstoff zu dem durch den Luftdurchgang R2 ausgestoßenen Luftwirbelstrom
A12 hin aus.
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Viele
Einspritzlöcher 182 zum
Einspritzen von Brennstoffs sind in der hinteren Endfläche des
Innenrohrs 110 (der stromabwärtigsten Position des Innenrohrs 110 in
Bezug auf die Strömungsrichtung von
Luft) ausgebildet. Diese Einspritzlöcher 182 stoßen den
Brennstoff zu dem durch den Luftdurchgang R2 ausgestoßenen Luftwirbelstrom
A12 hin aus. Die Brennkammer 100 ist mit Brennstoffzuführleitungen ausgestattet,
wie schematisch durch gestrichelte Linien in 1 angedeutet
ist. Das heißt,
die Brennkammer 100 hat eine erste Brennstoffzuführleitung L1,
von der Brennstoffzuführleitung
L1 abzweigende Brennstoffzuführleitungen
L11, L12, eine zweite Brennstoffzuführleitung L2 sowie von der
Brennstoffzuführleitung
L2 abzweigende Brennstoffzuführleitungen
L21, L22.
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Die
Einspritzlöcher 171 werden
mit dem Brennstoff über
die Brennstoffzuführleitungen
L1, L11 versorgt, und der zugeführte
Brennstoff wird aus den Einspritzlöchern 171 zu dem Luftwirbelstrom
A11 hin ausgestoßen.
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Die
Einspritzlöcher 172 werden
mit dem Brennstoff über
die Brennstoffzuführleitungen
L1, L12 versorgt, und der zugeführte
Brennstoff wird aus den Einspritzlöchern 172 zu dem Luftwirbelstrom
A11 hin ausgestoßen.
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Hierbei
wird die Menge des über
die Brennstoffzuführleitungen
L1, L11, L12 zugeführten
Brennstoffs so eingestellt, dass ein Luft-Brennstoff-Gemisch des
aus den Einspritzlöchern 171, 172 eingespritzten
Brennstoffs und des Luftwirbelstroms A11 brennstoffreich bzw. fett
ist. Beispielsweise wird das Äquivalenzverhältnis auf
die Größenordnung
von 1,4 eingestellt.
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Infolgedessen
verbrennt eine fette Verbrennungsflamme FR, die bei Verbrennung
des Luft-Brennstoff-Gemischs des von den Einspritzlöchern 171, 172 eingespritzten
Brennstoffs und des Luftwirbelstroms A11 auftritt, stromab des Doppel-Verwirbelungselements 200 und
in einem mittleren Abschnitt (Innenumfangsabschnitt) des Innenraums
des Übergangsrohrs 130.
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Die
Einspritzlöcher 181 werden
mit dem Brennstoff über
die Brennstoffzuführleitungen
L2, L21 versorgt, und der zugeführte
Brennstoff wird aus den Einspritzlöchern 181 zu dem Luftwirbelstrom A12
hin ausgestoßen.
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Die
Einspritzlöcher 182 werden
mit dem Brennstoff über
die Brennstoffzuführleitungen
L2, L22 versorgt, und der zugeführte
Brennstoff wird von den Einspritzlöchern 182 zu dem Luftwirbelstrom A12
hin ausgestoßen.
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Hierbei
wird die Menge des über
die Brennstoffzuführleitungen
L2, L21, L22 zugeführten
Brennstoffs so eingestellt, dass ein Luft-Brennstoff-Gemisch des
von den Einspritzlöchern 181, 182 eingespritzten
Brennstoffs und des Luftwirbelstroms A12 mager an Brennstoff (fuel-lean)
wird. Beispielsweise wird das Äquivalenzverhältnis in
der Größenordnung von
0,6 eingestellt.
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Infolgedessen
verbrennt eine magere Verbrennungsflamme FL, die bei Verbrennung
des Luft-Brennstoff-Gemischs des von den Einspritzlöchern 181, 182 eingespritzten
Brennstoffs und des Luftwirbelstroms A12 auftritt, stromab des Doppel-Verwirbelungselements 200 und
in einem äußeren Abschnitt
(Außenumfangsabschnitt)
des Innenraums des Übergangsrohrs 130.
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Ein
vorderer Abschnitt des Übergangsrohrs 130 ist
in einen Hochtemperaturbereich, in dem die fette Verbrennungsflamme
FR an der Innenumfangsseite gehalten wird, und einen Niedertemperaturbereich,
in dem die magere Verbrennungsflamme FL an der Außenumfangsseite
gehalten wird, aufgeteilt. In einem hinteren Abschnitt des Übergangsrohrs 130 werden
andererseits ein Hochtemperatur-Verbrennungsgas und ein Niedertemperatur-Verbrennungsgas
durch die Luftwirbelströme
gemischt und bilden ein Verbrennungsgas mit gleichmäßiger bzw.
einheitlicher Temperatur.
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Bei
der Ausführungsform
1 mangelt es der an der Innenumfangsseite brennenden fetten Verbrennungsflamme
FR an Sauerstoff im Vergleich zu einer Diffusionsflamme bei einem Äquivalenzverhältnis von
1, und somit kann die Temperatur der Flammenfront gesenkt werden.
Damit kann das Auftreten von NOx auf der
fetten Verbrennungsseite reduziert werden. Die magere Verbrennungsflamme
FL, die an der Außenumfangsseite
brennt, weist nur eine geringe Brennstoffmenge auf und hat eine
niedrige Verbrennungsgastemperatur, so dass das Auftreten von NOx minimal ist.
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Da
die Verbrennung in dem mageren Bereich und in dem fetten Bereich
wie oben angegeben durchgeführt
wird, kann das Auftreten von NOx insgesamt
gemindert werden (siehe 9).
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In
der Ausführungsform
1 wird außerdem
der Brennstoff von dem hinteren Rand des Doppel-Verwirbelungselements 200 eingespritzt,
konkret ausgedrückt,
den hinteren Endflächen
des Verwirbelungselementrings 141, des Verwirbelungselementrings 151 und
des Innenrohrs 110. Somit sind die Abstände zwischen den Einspritzpositionen
des Brennstoffs und den Flammen FR, FL kurz. Da die Abstände zwischen
den Positionen der Brennstoffeinspritzung und den Flammen FR, FL,
wie hier beschrieben wurde, kurz sind, kann das Auftreten von Verbrennungsvibrationen
unterdrückt
und eine stabile Verbrennung durchgeführt werden.
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Ferner
kann in der Ausführungsform
1 das Mischen von Luft und Brennstoff stromab des Doppel-Verwirbelungselements 200,
nämlich
in dem Übergangsrohr 130,
durchgeführt
werden. Somit kann ein sogenannter „Flashback" verhindert werden, und insbesondere
ein „Flashback" der mageren Verbrennungsflamme
FL kann verhindert werden.
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In
der Ausführungsform
1 sind die Einspritzlöcher 171, 172, 181, 182 in
den hinteren Endflächen des
Verwirbelungselementrings 141, des Verwirbelungselementsrings 151 und
des Innenrohrs 110 ausgebildet. Die Positionen zur Ausbildung
der Einspritzlöcher 171, 172, 181, 182 sind
jedoch nicht auf die hinteren Endflächen beschränkt. Diese Positionen können beliebige
Positionen sein, falls sie Positionen sind, die sich stromab (nach
rechts in 1) der Verwirbelungselementflügel 142, 152 in
Bezug auf die Strömungsrichtung
von Luft befinden und eine Einspritzung des Brennstoffs zu den Luftwirbelströmen A11,
A12 hin ermöglichen.
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Übrigens
können
die Einspritzlöcher,
falls das Problem eines Flashback nicht besteht, stromauf der Verwirbelungselementflügel 142, 152 in
Bezug auf die Strömungsrichtung
von Luft angeordnet sein, um eine Vormischung zu fördern.
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Ausführungsform 2:
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Als
nächstes
wird die Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 3, die eine Längsschnittansicht
ist, und 4, die eine Schnittansicht eines
Verwirbelungselementflügels 142 (oder Verwirbelungselementflügels 152),
beschrieben ist. Die gleichen Bestandteile wie bei Ausführungsform
1 werden nicht noch einmal beschrieben, sondern es werden hauptsächlich unterschiedliche
Abschnitte zu denen in Ausführungsform
1 erläutert.
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In
der Ausführungsform
2 sind Einspritzlöcher 173 an
bzw. in den hinteren Rändern
der jeweiligen Verwirbelungselementflügel 142 eines inneren Verwirbelungselements 140 ausgebildet,
und Einspritzlöcher 183 sind
an bzw. in den hinteren Rändern
der jeweiligen Verwirbelungselementflügel 152 eines äußeren Verwirbelungselements 150 ausgebildet.
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Den
Einspritzlöchern 173 wird
ein Brennstoff durch eine Brennstoffzuführleitung L1 zugeführt, und den
Einspritzlöchern 183 wird
der Brennstoff durch eine Brennstoffzuführleitung L2 zugeführt. In
der Ausführungsform
2 gibt es weniger Brennstoffzuführleitungen
als in der Ausführungsform
1. Das heißt, die
Ausführungsform
1 benötigt
die verzweigten Brennstoffzuführleitungen
L11, L12, L21, L22. Andererseits benötigt die Ausführungsform
2 keine solchen verzweigten Brennstoffzuführleitungen, sondern kann die
Konfiguration der Brennstoffzuführleitungen
entsprechend vereinfachen.
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Der
von den Einspritzlöchern 173 eingespritzte
Brennstoff vermischt sich mit einem Luftwirbelstroms A11, während der
von den Einspritzlöchern 183 eingespritzte
Brennstoff sich mit einem Luftwirbelstrom A12 vermischt. Hierbei
wird die Brennstoffeinspritzung entlang der Strömungsrichtung der Luftwirbelströme A11,
A12 durchgeführt.
Somit werden auch dann, wenn das Brennstoff-Luft-Verhältnis gemäß Lastfluktuationen
geändert
wird, Änderungen
in der Konzentrationsverteilung des Brennstoffs im stromabwärtigen Bereich
gemindert, so dass auch bei einer Änderung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses eine
zufriedenstellende Verbrennung aufrechterhalten werden kann.
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Stromab
der Verwirbelungselementflügel 142, 152 kommt
es zu Wirbelschleppen. Diese Schleppen, die Turbulenzen sind, fördern die
Durchmischung des Brennstoffs und der Luftwirbelströme A11,
A12, was eine zufriedenstellende Vermischung ergibt. Das heißt; die
Interaktion der Wirbelströme und
der Wirbelschleppen macht die Durchmischung des Brennstoffs und
der Luftwirbelströme
A11, A12 zufriedenstellender und kann eine stabile Verbrennung erreichen.
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Ausführungsform 3:
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Als
nächstes
wird die Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 5, die eine Längsschnittansicht
ist, und 6, die eine Schnittansicht eines
Verwirbelungselementflügels 142 (oder Verwirbelungselementsflügels 152)
ist, beschrieben. Da die Ausführungsform
3 eine Modifikation der Ausführungsform
2 ist, werden nur sich von der Ausführungsform 2 unterscheidende
Abschnitte erläutert.
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In
der Ausführungsform
2 sind Einspritzlöcher 173, 183 an
den hinteren Rändern
der Verwirbelungselementflügel 142, 152 ausgebildet.
In der Ausführungsform
3 sind die Einspritzlöcher 174, 184 in Seitenflächen (Flügelflächen) der
Verwirbelungselementflügel 142, 152 ausgebildet.
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Die
Richtungen der Einspritzung des von den Einspritzlöchern 174, 184 eingespritzten
Brennstoffs sind Richtungen, die sich mit der Strömungsrichtung der
Luftwirbelströme
A11, A12 schneiden (nahezu senkrecht schneiden). Somit wird die
Durchmischung des eingespritzten Brennstoffs und der Luftwirbelströme A11,
A12 weiter gefördert.
Folglich wird ein Vorgemisch des Brennstoffs und von Luft gebildet, und
dieses Vorgemisch brennt zufriedenstellend in einem Übergangsrohr 130.
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Ausführungsform 4:
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Als
nächstes
wird die Ausführungsform
4 der Erfindung mit Bezug auf 7 beschrieben,
die eine Längsschnittansicht
ist. Die gleichen Bestandteile wie die der Ausführungsform 1 werden nicht beschrieben,
sondern es werden hauptsächlich
unterschiedliche Abschnitte zu denjenigen bei der Ausführungsform
1 erläutert.
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In
der Ausführungsform
4 sind Umlenkschaufeln (zylindrische Elemente; „scoops") 300 an mehreren Stellen entlang der
Umfangsrichtung eines Übergangsrohrs 130 installiert.
Diese mehreren (beispielsweise drei bis acht) Umlenkschaufeln 300 stellen
eine Verbindung zwischen dem Innenraum und dem Außenraum
des Übergangsrohrs 130 her.
Damit wird Luft mit niedriger Temperatur (beispielsweise in der
Größenordnung
von 500 bis 600°C),
die an der Außenumfangsseite
des Übergangsrohrs 130 vorhanden
ist, einem zentralen axialen Abschnitt des Innenraums des Übergangsrohrs 130 zugeführt. Infolgedessen
wird die Temperatur eines Hochtemperaturbereichs (beispielsweise
eines Bereichs mit einer Temperatur von 2000°C), der in dem zentralen axialen
Abschnitt des Innenraums des Übergangsrohrs 130 vorhanden
ist, und in dem eine fette Verbrennung stattfindet, plötzlich durch
Luft mit niedriger Temperatur (beispielsweise in der Größenordnung von
500 bis 600°C),
die eingeströmt
ist, gesenkt (abgeschreckt). Folglich wird die Erzeugung von NOx gemindert.
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Wie
oben beschrieben wurde, wird der Hochtemperaturbereich durch Strömen der
Niedertemperaturluft in das Innere des Übergangsrohrs 130 um die Umlenkschaufeln
schlagartig gekühlt.
Damit kann die Erzeugung von NOx wirksamer
unterdrückt
werden.
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Die
gleichen Umlenkschaufeln wie in der Ausführungsform 4, die in 7 gezeigt
sind, können in
der Ausführungsform
2, die in 3 gezeigt ist, und der Ausführungsform
3, die in 5 gezeigt ist, angebracht sein.
In diesem Fall kann die Erzeugung von NOx noch
wirksamer als in der Ausführungsform 4
unterdrückt
werden.