DE102007046251A1

DE102007046251A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Turbinentriebwerks

Info

Publication number: DE102007046251A1
Application number: DE102007046251A
Authority: DE
Inventors: Gilbert O. Kraemer; Benjamin Lacy; John Joseph Lipinski
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2008-04-03
Also published as: CN101158478B; CN101158478A; CH701079B1; JP2008089297A; US7810333B2; US20080078160A1; JP5100287B2

Abstract

Es wird eine Verbrennungsvorrichtung (104) bereitgestellt. Die Verbrennungsvorrichtung beinhaltet wenigstens eine Verbrennungsvorrichtungswand (105), die eine Brennkammer (106) definiert, wenigstens einen ersten Fluiddurchtritt (122), der wenigstens einen ersten Fluideinlass (124) in der wenigstens einen Verbrennungsvorrichtungswand definiert, wobei der wenigstens eine erste Fluiddurchtritt mit der Brennkammer in Fluidverbindung verbunden ist, der wenigstens erste Fluideinlass dafür eingerichtet ist, einen ersten Fluidstrom (132) in die Brennkammer einzuspritzen, und wenigstens einen zweiten Fluiddurchtritt (120), der wenigstens einen zweiten Fluideinlass (126) in der wenigstens einen Verbrennungsvorrichtungswand definiert, wobei der wenigstens eine zweite Fluideinlass benachbart zu dem wenigstens einen ersten Fluideinlass positioniert ist, der wenigstens eine zweite Fluideinlass mit der Brennkammer in Strömungsverbindung verbunden und dafür eingerichtet ist, einen zweiten Fluidstrom (130) in die Brennkammer in einem schrägen Winkel (134) in Bezug auf den ersten Fluidstrom so einzuspritzen, dass die zweiten und ersten Fluidströme sich in einem vorbestimmten Eintrittswinkel überschneiden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein drehende Maschinen und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Betrieb von Gasturbinen.
Wenigstens einige bekannte Gasturbinen verbrennen ein Gemisch aus Brennstoff und Luft, zum Freisetzen von Wärmeenergie aus dem Gemisch, um einen Hochtemperatur-Verbrennungsgasstrom zu erzeugen, der einer Turbine über einen Heißgaspfad zugeführt wird. Die Turbine wandelt die Wärmeenergie aus dem Verbrennungsgasstrom in mechanische Energie um, welche eine Turbinenwelle dreht. Die Abgabeenergie der Turbine kann zum Antreiben einer Maschine, beispielsweise eines elektrischen Generators oder eine Pumpe genutzt werden.
Wenigstens ein Nebenprodukt der Verbrennungsreaktion kann behördlichen Einschränkungen unterliegen. Beispielsweise kann in thermisch gesteuerten Reaktionen Stickstoffoxid (NO_x) durch eine Reaktion zwischen Stickstoff und Sauerstoff in der Luft, ausgelöst durch die hohen Temperaturen innerhalb des Gasturbinentriebwerks, erzeugt werden. Im Wesentlichen nimmt der Triebwerkwirkungsgrad zu, wenn die in einen Turbinenabschnitt des Triebwerks eintretende Temperatur des Verbrennungsgasstroms zunimmt. Jedoch kann eine Erhöhung der Verbrennungsgastemperatur eine erhöhte Erzeugung von NO_x ermöglichen.
Eine Verbrennung tritt normalerweise an einer oder nahe an einem stromaufwärts liegendem Bereich einer Verbrennungsvorrichtung auf, welche normalerweise als die Reaktionszone oder Primärzone bezeichnet wird. Die Vermischung und Verbrennung von Brennstoff und Luft kann auch stromabwärts von der Reaktionszone in einer Region erfolgen, welche auch als eine Verdünnungszone bezeichnet wird. Inerte Verdünnungsmittel können direkt in die Verdünnungszone eingeführt werden, um das Brennstoff/Luft-Gemisch zu verdünnen, um das Erzielen eines vorbestimmtes Gemisches und/oder eine Temperatur des in den Turbinenabschnitt eintretenden Gasstroms zu ermöglichen. Jedoch stehen inerte Verdünnungsmittel nicht immer zur Verfügung, können nachteilig die Triebwerkswärmerückgewinnung beeinflussen und können die Kapital- und Betriebskosten erhöhen. Dampf kann als ein Verdünnungsmittel eingeführt werden, wobei jedoch Dampf die Lebenserwartung der Heißpfadkomponenten verringern kann.
Um eine Steuerung der NO_x-Emissionen während eines Turbinentriebwerksbetriebs zu ermöglichen, verwenden wenigstens einige bekannte Gasturbinentriebwerke Verbrennungsvorrichtungen, die mit einem mageren Brennstoff/Luft-Verhältnis arbeiten, und/oder in welchen die Verbrennungsvorrichtungen so betrieben werden, dass Brennstoff mit Luft vorgemischt wird, bevor er in die Verbrennungsvorrichtungs-Reaktionszone eingeführt wird. Die Vormischung kann eine Reduzierung der Verbrennungstemperaturen ermöglichen und demzufolge die NO_x-Bildung reduzieren, ohne eine Zusetzung von Verdünnungsmitteln zu erfordern. Jedoch kann, wenn der verwendete Brennstoff ein Prozessgas oder ein synthetisches Gas oder Syngas ist, das gewählte Prozessgas und/oder Syngas ausreichend Wasserstoff enthalten, sodass eine zugeord nete hohe Flammengeschwindigkeit eine Selbstentzündung, Rückzündung und/oder Flammenerhaltung ohne eine Mischvorrichtung ermöglichen kann. Ferner kann eine derart hohe Verbrennungsgeschwindigkeit keine gleichmäßige Vermischung des Brennstoffes und der Luft vor der Verbrennung ermöglichen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer Turbine bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die Bereitstellung wenigstens einer Verbrennungsvorrichtung mit einer darin definierten Brennkammer, wobei die Brennkammer eine sich dadurch hindurch erstreckende Mittellinie aufweist. Das Verfahren beinhaltet auch die Einspritzung wenigstens eines ersten Fluidstroms in die Brennkammer. Das Verfahren beinhaltet ferner die Einspritzung wenigstens eines zweiten Fluidstroms in die Brennkammer in einem schrägen Winkel in Bezug auf den wenigstens ersten Fluidstrom, um dadurch den wenigstens einen zweiten Fluidstrom mit dem wenigstens einen ersten Fluidstrom zu überkreuzen und zu vermischen.
In einem weiteren Aspekt ist eine Verbrennungsvorrichtung vorgesehen. Die Vorrichtung beinhaltet wenigstens eine Verbrennungsvorrichtungswand, die eine Brennkammer definiert. Die Vorrichtung enthält auch wenigstens einen ersten Fluiddurchtritt, welcher wenigstens einen ersten Fluideinlass innerhalb der wenigstens einen Verbrennungsvorrichtungswand definiert. Der wenigstens eine erste Fluiddurchtritt ist in Strömungsverbindung mit der Brennkammer verbunden. Der wenigstens eine erste Fluideinlass ist dafür eingerichtet, einen ersten Fluidstrom in die Brennkammer einzuspritzen. Die Vorrichtung enthält ferner wenigstens einen zweiten Fluiddurchtritt, der wenigstens einen zweiten Fluideinlass innerhalb der wenigstens einen Verbrennungsvorrichtungswand definiert. Der wenigstens eine zweite Fluideinlass ist zu dem wenigstens einen ersten Fluideinlass benachbart und ist in Strömungsverbindung mit der Brennkammer verbunden. Der zweite Fluideinlass ist dafür eingerichtet, einen zweiten Fluidstrom in die Brennkammer in einem schrägen Winkel in Bezug auf den ersten Fluidstrom so einzuspritzen, dass sich der zweite und der erste Fluidstrom in einem vorbestimmten Eintrittswinkel überkreuzen.
In einem weiteren Aspekt wird ein Turbinentriebwerk bereitgestellt. Das Triebwerk enthält wenigstens eine erste Fluidquelle, wenigstens eine zweite Fluidquelle und eine Verbrennungsvorrichtung, die in Strömungsverbindung mit der wenigstens einen ersten Fluidquelle und der wenigstens einen zweiten Fluidquelle verbunden ist. Die Verbrennungsvorrichtung enthält wenigstens eine Verbrennungsvorrichtungswand, wenigstens einen ersten Fluiddurchtritt und wenigstens einen zweiten Fluiddurchtritt. Die wenigstens eine Verbrennungsvorrichtungswand definiert eine Brennkammer. Der wenigstens eine erste Fluiddurchtritt definiert wenigstens einen ersten Fluideinlass in der wenigstens einen Verbrennungsvorrichtungswand und der wenigstens erste Fluiddurchtritt ist in Strömungsverbindung mit der Brennkammer verbunden. Der wenigstens eine erste Fluideinlass ist dafür eingerichtet, einen ersten Fluidstrom in die Brennkammer einzuspritzen. Der wenigstens eine zweite Fluiddurchtritt definiert wenigstens einen zweiten Fluideinlass innerhalb der wenigstens einen Verbrennungsvorrichtungswand. Der wenigstens eine zweite Fluideinlass ist zu dem wenigstens einen ersten Fluideinlass benachbart positioniert. Der we nigstens eine zweite Fluideinlass ist in Strömungsverbindung mit der Brennkammer verbunden und ist dafür eingerichtet, einen zweiten Fluidstrom in die Brennkammer in einem schrägen Winkel in Bezug auf den ersten Fluidstrom so einzuspritzen, dass sich der zweite und der erste Fluidstrom in einem vorbestimmten Eintrittswinkel überkreuzen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines exemplarischen Gasturbinentriebwerks;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnittes einer exemplarischen Verbrennungsvorrichtung, die mit dem in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk verwendet werden kann;
3 ist eine schematische Querschnittsansicht der in 2 dargestellten Verbrennungsvorrichtung und entlang der Linie 3-3;
4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung, die mit der in 2 dargestellten Verbrennungsvorrichtung verwendet werden kann;
5 ist eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung, die mit der in 2 dargestellten Verbrennungsvorrichtung verwendet werden kann;
6 ist eine schematische Querschnittsansicht der in den 4 und 5 dargestellten Brennstoff/Luft-Anordnungen und entlang der Linie 6-6;
7 ist eine schematische Endansicht von mehreren exemplarischen Brennstoff/Luft-Anordnungen, die mit der in 2 dargestellten Verbrennungsvorrichtung verwendet werden können;
8 ist eine schematische Endansicht einer exemplarischen Brennstoff/Luft-Anordnung, die mit der in 2 dargestellten Verbrennungsvorrichtung verwendet werden kann;
9 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnittes der in 8 dargestellten Brennstoff/Luft-Anordnung und entlang der Ellipse 9-9;
10 ist eine schematische Querschnittsdraufsicht auf den Abschnitt der in 9 dargestellten Brennstoff/Luft-Anordnung und entlang der Linie 10-10;
11 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnittes einer alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung, die mit der in 2 dargestellten Verbrennungsvorrichtung verwendet werden kann;
12 ist eine schematische Querschnittsdraufsicht auf den Abschnitt der in 11 dargestellten alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung entlang der Linie 12-12;
13 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnittes einer alternativen Brennstoff/Luft-Anord nung, die mit der in 2 dargestellten Verbrennungsvorrichtung verwendet werden kann;
14 ist eine schematische Querschnittsdraufsicht auf den Abschnitt der in 13 dargestellten alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung entlang der Linie 14-14;
15 ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Verbrennungsvorrichtung, die mit dem in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk genutzt werden kann;
16 ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Verbrennungsvorrichtung, die mit dem in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk genutzt werden kann;
17 ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Verbrennungsvorrichtung, die mit dem in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk genutzt werden kann;
18 ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Verbrennungsvorrichtung, die mit dem in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk genutzt werden kann; und
19 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Verwirbelungsvorrichtung, die mit dem in 1 dargestellten Gasturbinentriebwerk genutzt werden kann;
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine schematische Darstellung eine exemplarische Gasturbine 100. Das Triebwerk 100 enthält einen Kompressor 102 und eine Verbrennungsvorrichtung 104. Die Verbrennungsvorrichtung 104 enthält eine Verbrennungsvorrichtungswand 105, die wenigstens teilweise eine Brennkammer 106 definiert. Die Brennkammer 106 weist eine Mittellinie 107 auf, die sich dadurch hindurch erstreckt. In der exemplarischen Ausführungsform enthält das Triebwerk 100 mehrere Verbrennungsvorrichtungen 104. Die Verbrennungsvorrichtung 104 und insbesondere die Brennkammer 106 ist stromabwärts davon und in Strömungsverbindung mit dem Kompressor 102 verbunden. Das Triebwerk 100 enthält auch eine Turbine 108 und eine Kompressor/Turbinen-Welle 110 (manchmal auch als Rotor bezeichnet). In der exemplarischen Ausführungsform ist die Brennkammer 106 im Wesentlichen zylindrisch und ist in Strömungsverbindung mit der Turbine 108 verbunden. Die Turbine 108 ist drehbar mit der Welle 110 verbunden und treibt diese an. Der Kompressor 102 ist ebenfalls drehbar mit der Welle 110 verbunden. In einer Ausführungsform ist das Triebwerk 100 ein MS7001FB Triebwerk, welches manchmal als ein 7FB Triebwerk bezeichnet wird, das im Handel von General Electric Company, Greenville, South Carolina zu beziehen ist. Die vorliegende Erfindung ist auf kein spezielles Triebwerk beschränkt und kann in Verbindung mit anderen Triebwerken implementiert werden.
Im Betrieb strömt Luft durch den Kompressor 102 und eine erhebliche Menge an komprimierter Luft wird der Verbrennungsvorrichtung 104 zugeführt. Die Vorrichtung 104 steht auch mit einer (in 1 nicht dargestellten) Brennstoffquelle in Strömungsverbindung und führt der Brennkam mer 106 Brennstoff und Luft zu. In der exemplarischen Ausführungsform entzündet und verbrennt die Verbrennungsvorrichtung 104 Brennstoff, beispielsweise Prozessgas und/oder synthetisches Gas (Syngas) in der Brennkammer 106, die einen (nicht in 1 dargestellten) Hochtemperatur-Verbrennungsgasstrom von angenähert 871° C bis 1593° C (1600° F bis 2900° F) erzeugt. Alternativ verbrennt die Vorrichtung 104 Brennstoffe, welche Erdgas und/oder Brennstofföl umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Die Verbrennungsvorrichtung 104 führt den Verbrennungsgasstrom der Turbine 108 zu, in welcher die Wärmeenergie des Gasstroms in mechanische Rotationsenergie umgewandelt wird.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Verbrennungsvorrichtung 104. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Verbrennungsvorrichtung 104 entlang der Linie 3-3. Insbesondere stellt 3 eine exemplarische Brennstoff/Luft-Anordnung 128 dar, die mit der Verbrennungsvorrichtung 104 verwendet wird. Im Wesentlichen enthält die Verbrennungsvorrichtung 104 wenigstens einen ersten Fluiddurchtritt, der einen ersten Fluideinlass definiert, wobei sowohl der Durchtritt als auch der Einlass die Ausbildung eines ersten Fluidstroms ermöglichen. In der exemplarischen Ausführungsform enthält die Verbrennungsvorrichtung 104 wenigstens einen Luftdurchtritt 122. Ferner enthält die Verbrennungsvorrichtung 104 im Wesentlichen wenigstens einen zweiten Fluiddurchtritt, der einen zweiten Fluideinlass definiert, wobei sowohl der Durchtritt als auch der Einlass die Ausbildung eines zweiten Fluidstroms ermöglichen. In der exemplarischen Ausführungsform enthält die Verbrennungsvorrichtung 104 mehrere Brennstoffdurchtritte 120. Alternativ enthält die Verbrennungsvorrichtung 104 mehrere erste Fluid- oder Luft-Durchtritte benachbart zu dem wenigstens einen zweiten Fluid- oder Brennstoff-Durchtritt (keiner ist dargestellt), die innerhalb der Vorrichtung 104 eingerichtet und positioniert sind, um den Betrieb des Triebwerks 100 wie hierin beschrieben zu ermöglichen.
Der Luftdurchtritt 122 ist in Strömungsverbindung mit der wenigstens einen Fluidquelle verbunden, die in der exemplarischen Ausführungsform ein (in 1 dargestellter) Kompressor 102 ist. Alternativ kann die erste Fluidquelle jede beliebige Quelle sein, die den Betrieb des Triebwerks 100 wie hierin beschrieben, ermöglicht. Die Brennstoffdurchtritte 120 sind mit der wenigstens einen zweiten Fluidquelle in Strömungsverbindung verbunden, die in der exemplarischen Ausführungsform eine (in den 2 oder 3 nicht dargestellte) Brennstoffquelle ist.
In der exemplarischen Ausführungsform definiert der Luftdurchtritt 112 einen Lufteinlass 124 in einem Abschnitt der Verbrennungsvorrichtungswand 105, die eine Führung eines (mit dem zugeordneten Pfeil dargestellten) Luftstroms 132 ermöglicht. In ähnlicher Weise definieren in der exemplarischen Ausführungsform Brennstoffdurchtritte 120 mehrere Brennstoffeinlässe 126 in einem Abschnitt einer Verbrennungsvorrichtungswand 105. Die Brennstoffdurchtritte 120 ermöglichen eine Kanalisierung mehrerer (mit mehreren zugeordneten Pfeilen dargestellte) Brennstoffströme 130. Alternativ können erste Fluiddurchtritte (oder Luftdurchtritte 122) und/oder zweite Fluiddurchtritte (oder Brennstoffdurchtritte 120) eingerichtet werden, dass sie andere Fluide, welche vorgemischten Brennstoff und Luft, inerte Verdünnungsmittel und Abgase beinhalten umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind, leiten.
Zusammengebaut definieren die Brennstoffeinlässe 126, der Lufteinlass 124 und die Verbrennungsvorrichtungswand 105 eine Brennstoff/Luft-Anordnung 128. In der exemplarischen Ausführungsform ermöglicht die Anordnung 128 ein Mager-Direkteinspritzungs-(LDI)-Verbrennungsverfahren innerhalb der Verbrennungsvorrichtung 104, wie es nachstehend beschrieben wird. 2 und 3 stellen den Luftdurchtritt 122 im Wesentlichen senkrecht zu der Wand 105 und im Wesentlichen parallel zu der Brennkammermittellinie 107 dar. Wie weiter unten erläutert ist die Brennstoff/Luft-Anordnung 128 mit dem Durchtritt 122 und dem zugeordneten Lufteinlass 124 eingerichtet, welcher einen Eintrittswinkel in die Brennkammer 106 in Bezug auf die Wand 105 und die Mittellinie 107 aufweist. Insbesondere kann der Durchtritt 122 mit einer Stromaufwärts- oder Stromabwärts-Orientierung und/oder Links- oder Rechts-Orientierung oder jeder Kombination davon in Bezug auf die Mittellinie 107 eingerichtet sein. Daher ist der Durchtritt 122 in der exemplarischen Ausführungsform ohne jede Orientierung in Bezug auf die Wand 105 und die Mittellinie 107 eingerichtet, was das Aufeinandertreffen des Brennstoffstroms 130 und des Luftstroms 132 wie hierin beschrieben ermöglicht.
Ein Verfahren zum Betreiben des Turbinentriebwerks 100 beinhaltet die Bereitstellung wenigstens einer Verbrennungsvorrichtung 104 mit einer darin definierten Brennkammer 106, wobei die Brennkammer 106 eine sich dadurch hindurch erstreckende Mittellinie 107 besitzt. Das Verfahren beinhaltet auch die Einspritzung wenigstens eines ersten Fluidstroms in die Brennkammer 106, wobei in der exemplarischen Ausführungsform das Verfahren die Einspritzung eines Luftstroms 132 in die Brennkammer 106 beinhaltet. Das Ver fahren beinhaltet ferner die Einspritzung wenigstens eines zweiten Fluidstroms in die Brennkammer, wobei in der exemplarischen Ausführungsform das Verfahren die Einspritzung eines Brennstoffstroms 130 in die Brennkammer 106 in einem schrägen Winkel 134 in Bezug auf den Luftstrom 132 beinhaltet, um dadurch den Brennstoffstrom 130 mit dem Luftstrom 132 zu überkreuzen und zu vermischen. Alternativ führen die ersten Fluiddurchtritte (oder der Luftdurchtritt 122) und/oder die zweiten Fluiddurchtritte (oder Brennstoffdurchtritte 120) andere (nicht dargestellte) Fluidströme, die vorgemischten Brennstoff und Luft, inerte Verdünnungsmittel und Abgase umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
Im Betrieb führen die Brennstoffdurchtritte 120 mehrere Brennstoffströme 130 und der Luftdurchtritt 122 führt einen Luftstrom 132 durch die Brennstoff/Luft-Anordnung 128 in die Brennkammer 106. Der Luftstrom 132 kann im Wesentlichen gleichmäßig strömen oder kann nicht-gleichmäßig beispielsweise dann strömen, wenn der Strom 132 vor dem Eintritt in die Brennstoff/Luft-Anordnung 128 verwirbelt wird. In der dargestellten Ausführungsform wird der Luftstrom 132 im Wesentlichen parallel zu der Verbrennungskammermittellinie 107 und im Wesentlichen senkrecht zu der Wand 105 eingespritzt. Um die Vermischung zu verbessern, werden die Brennstoffströme 130 jeweils in die Brennkammer 106 bei vorbestimmten schrägen radialen Eintrittswinkeln 134 in Bezug auf den Luftstrom 132 und in vorbestimmten schrägen Einfallsumfangswinkeln 136 in Bezug auf den Luftstrom 132 eingespritzt. Insbesondere werden in der exemplarischen Ausführungsform die Brennstoffströme 130 in einem radialen Eintrittswinkel 134 zwischen 0° und 90° und in einem Umfangseintrittswinkel 136 zwischen 0° und 360° eingespritzt.
Die Anzahl der Brennstoffeinlässe 126, der Werte der Radialwinkel 134 und der Werte der Umfangswinkel 136 können variabel auf der Basis einer Vielzahl von Betriebsparametern gewählt werden, welche eine rasche und gründliche Vermischung des Brennstoffs und der Luft anschließend auf das Aufeinandertreffen der Brennstoffströme 130 und des Luftstroms 132 ermöglichen.
In der exemplarischen Ausführungsform enthalten die Brennstoffströme 130 Prozessgas und/oder Syngas als Hauptbrennstoffe. Alternativ kann jeder Brennstoff, der einen Betrieb der Verbrennungsvorrichtung 104 wie hierin beschrieben ermöglicht, verwendet werden. Syngas wird mittels im Fachgebiet bekannter Verfahren synthetisiert und weist typischerweise eine variierende chemische Zusammensetzung auf, die wenigstens teilweise von dem Syntheseverfahren abhängt. Prozessgas ist typischerweise ein Nebenprodukt von chemischen Prozessen, welche eine Erdölraffination beinhalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Syngas und Prozessgas enthalten typischerweise verdampfte Kohlenwasserstoffe, welche flüssige Brennstoffe oder Destillate umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Syngas und Prozessgas können auch weniger reaktive verbrennbare Bestandteile, inerte und Verunreinigungen im Vergleich zu den zugeordneten primär verbrennbaren im Fachgebiet bekannten Bestandteilen enthalten.
In der exemplarischen Ausführungsform stellt die Anordnung 128 ein Mager-Direkteinspritzungs-(LDI)-Verbrennungsverfahren innerhalb der Verbrennungsvorrichtung 104 bereit. Ein LDI-Verbrennungsverfahren ist typischerweise als ein Einspritzvorgang definiert, der Brennstoff und Luft in eine Brennkammer einer Verbrennungsvorrichtung ohne Vor vermischung der Luft und des Brennstoffs vor der Einspritzung einspritzt. Dieses Verfahren steht im Gegensatz zu einem Mager-Vorvergemisch-Einspritzverfahrens der Verbrennung, das typischerweise durch die Vorvermischung wenigstens eines Anteils sowohl von Brennstoff als auch Luft innerhalb eines Vorvermischungsabschnittes einer Verbrennungsvorrichtung definiert ist, um dadurch ein Brennstoff/Luft-Gemisch zu bilden, das anschließend in eine Brennkammer eingespritzt wird. Das Mager-Vorgemisch-Verbrennungsverfahren ist typischerweise durch niedrigere Flammentemperaturen als die gekennzeichnet, die durch herkömmliche Nicht-Vorgemischs- oder Diffusions-Verbrennungsverfahren gekennzeichnet sind. Die niedrigeren Verbrennungsverfahren in Verbindung mit dem Mager-Vorgemisch-Verbrennungsverfahren ermöglicht eine Reduzierung der Rate und Größe der NO_x-Erzeugung, wobei jedoch das Brennstoff/Luft-Gemisch im Wesentlichen entzündbar ist, und eine Potential für eine unerwünschte Rückzündung und Verbrennung in dem Vorvermischungsabschnitt der Verbrennungsvorrichtung ermöglicht wird.
Einige Brennstoff/Luft-Gemische ermöglichen im Wesentlichen rasche Reaktionsraten und ermöglichen anschließend eine relativ hohe Flammengeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Brennstoffen. Die Flammengeschwindigkeit kann als eine Rate von Zündung, Verteilung und Ausbreitung der Verbrennung innerhalb eines Brennstoff/Luft-Gemisches definiert sein. Eine Flammengeschwindigkeit, die im Wesentlichen gleich der Brennstoffströmungsgeschwindigkeit ist, ermöglicht eine im Wesentlichen stabile und stationäre Flamme. Höhere Flammengeschwindigkeiten können eine Selbstentzündung, Rückzündung und/oder Flammenerhaltung innerhalb von Bereichen einer Verbrennungsvorrichtung ermöglichen, die nicht dafür ausgelegt sind, eine zugeordnete nahe Wärmefreigabe aufzunehmen. Die Flammenhaltung wird ermöglicht, wenn eine Verweilzeit eines Gemisches aus Brennstoff und Luft in einem vordefinierten Volumen größer als die Reaktionszeit des Brennstoff/Luft-Gemisches innerhalb desselben Volumens ist, und eine resultierende Flamme als Ergebnis der Verbrennung des Brennstoffs und der Luft realisiert wird. Insbesondere kann, wenn eine Flammengeschwindigkeit im Wesentlichen ähnlich einer Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Gemisches ist, kann eine resultierende Flamme als stabil bezeichnet werden.
Thermisches NO_x ist typischerweise als NO_x definiert, das während der Verbrennung von Brennstoff und Luft durch Hochtemperaturoxidation von in Luft vorzufindendem Stickstoff erzeugt wird. Die Erzeugungsrate ist primär eine Funktion der Temperatur in Verbindung mit der lokalen Verbrennung von Brennstoff und Luft innerhalb einer vordefinierten Region und der Verweilzeit von Stickstoff bei dieser Temperatur, wobei die Verweilzeit im Wesentlichen ähnlich der Brennstoff- und Luftverweilzeit gemäß vorstehender Beschreibung ist. Daher sind wenigstens zwei Faktoren, welche die NO_x-Erzeugung beeinflussen, die Verbrennungstemperaturen und die Verweilzeit von Stickstoff bei diesen Temperaturen. Die Verweilzeit ist ferner als die Zeitdauer definiert, in welcher ein Teil des Brennstoffs und ein Teil der Luft miteinander vermischt werden, um die Zündung und Verbrennung so abzuschließen, dass nur Nachverbrennungsprodukte einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Wärme, Wasser, Stickstoff und Kohlendioxid übrig bleiben. Im Wesentlichen nimmt, wenn die Temperatur der Verbrennung und/oder die Verweilzeit zunehmen, auch eine Rate der NO_x-Erzeugung zu. Eine Optimierung der Verweilzei ten und der Temperaturen ermöglicht eine vollständige Verbrennung und ermöglicht auch die Verminderung einer NO_x-Erzeugung. Die hohe Reaktionsrate bestimmter Brennstoffe und Luft gemäß vorstehender Beschreibung ermöglicht eine Abschwächung der Brennstoff/Luft-Vermischung, und ermöglicht dadurch eine NO_x-Erzeugung. Dieses beruht auf den erhöhten lokalen Temperaturen in Verbindung mit der raschen Entzündung des Brennstoffes sowie der verlängerten Verweilzeit, die benötigt wird, um den Brennstoff und die Luft zu kombinieren, um eine im Wesentlichen vollständige Verbrennung zu ermöglichen. Im Wesentlichen ermöglicht ein Ausgleich einer vorbestimmten Reaktionsrate von Brennstoff- und Luftmolekülen in einem vorbestimmten Volumen mittels aggressiver Brennstoff/Luft-Vermischung einen Ausgleich lokalisierter exothermer Energiefreigabe und daher lokalisierter Temperaturen innerhalb des Volumens.
Wenn die Bedingungen so sind, dass ein Brennstoff/Luft-Gemisch zünden kann, tritt eine vollständige Zündung, die eine Flamme erzeugt, nicht sofort auf, sondern die Zündung erfolgt mit einer Verzögerung, welche typischerweise als eine Zündverzögerung oder als eine Induktionsperiode bezeichnet wird, die von Faktoren abhängt, die den speziellen Typ des zu verbrennenden Brennstoffs, eine Brennstoff/Luft-Gemischtemperatur und die relativen Konzentrationen der Brennstoffmoleküle und Luftmoleküle beinhalten, aber nicht darauf beschränkt sind. Wenn die Induktionsperiode zunimmt, nimmt die für die Vermischung von Luft und Brennstoff verfügbare Zeit zu. Einige Brennstoffe haben typischerweise eine relativ kurze Induktionsperiode. Im Gegensatz zur Verweilzeit ermöglicht eine verkürzte Induktionsperiode eine Verbrennung in einem mikroskopischen Maßstab, während sie gleichzeitig eine Notwendigkeit für eine länge re Verweilzeit erzeugt, um eine gründliche Brennstoff/Luft-Vermischung zu ermöglichen und im Wesentlichen die Verbrennung in einem makroskopischen Maßstab abzuschließen.
Die Flammenstabilität, Vollständigkeit der Verbrennung und NO_x-Erzeugung können auch durch Turbulenz und/oder Verwirbelung von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung beeinflusst werden. Eine relative Größe einer Verwirbelung wird oft durch eine Verwirbelungszahl dargestellt. Eine Verwirbelungszahl ist typischerweise als ein Verhältnis einer tangentialen Bewegungsgröße von Brennstoff- und Luftmolekülen im Vergleich zu oder dividiert durch eine axiale Bewegungsgröße derselben Brennstoff- und Luftmoleküle definiert. Verwirbelung und Turbulenz unterscheiden sich darin, dass eine Verwirbelungszahl ein Kennwert ist, der die Größe der Turbulenz wiedergibt. Die Größe der Turbulenz kann auch durch Kennwerte wiedergegeben werden, welche unregelmäßige (oder zufällige) Strömungen und diffuse Strömungen beinhalten, aber nicht darauf beschränkt sind. Die Erhöhung der Turbulenz und/oder Verwirbelung kann eine Verringerung der Verweilzeit und der Spitzen- und lokalen Temperaturen der Verbrennung des Brennstoffs und der Luft ermöglichen, und dadurch eine Verringerung in der NO_x-Erzeugung.
In einigen Ausführungsformen können Fluide, die vorgemischten Brennstoff und Luft, inerte Verdünnungsmittel und Abgase umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind, ebenfalls eingespritzt werden, um Verfahren zur Aufrechterhaltung der Flammenstabilität, der Vollständigkeit der Verbrennung und einer Verringerung in der NO_x-Erzeugung, wie hierin beschrieben, zu ermöglichen. Hierin nachstehend, wo nur Brennstoff und Luft diskutiert werden, und falls nicht anderweitig angegeben, sollte angenommen werden, dass die Diskussion solche Fluide zur Einspritzung in die Brennkammer 106 in Verbindung mit Brennstoff und Luft beinhaltet.
Das Aufeinandertreffen mehrerer Strömungsflüsse, wie z.B. der Brennstoff- und Luftströme 130 bzw. 132, sowie inerter Verdünnungsmittel und/oder wenigstens teilweise vorgemischtem Brennstoff und Luft (welche beide nicht dargestellt sind) innerhalb der Brennstoff/Luft-Anordnung 128 mit vorbestimmten Eintrittswinkeln, Strömungsgeschwindigkeiten und Massenströmungsraten erzeugt einen (nicht dargestellten) vorbestimmten Wirbel, der wenigstens ein (nicht dargestelltes) lokalisiertes Strömungsfeld enthält, das innerhalb eines vorbestimmten Volumens und mit einem vorbestimmten Satz von Kennwerten definiert ist, die eine vorbestimmte Turbulenz, Verweilzeit und Temperatur beinhalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Eine Verbrennungsvorrichtung, wie z.B. die Vorrichtung 104 mit mehreren Brennstoff/Luft-Anordnungen 128 ermöglicht die Erzeugung eines Wirbels, der mehrere (nicht dargestellte) lokalisierte Strömungsfelder enthält. Derartige mehrere lokalisierte Strömungsfelder können miteinander zusammenwirken, um einen (nicht dargestellten) Wirbel zu erzeugen, der ein (nicht dargestelltes) Gesamtströmungsfeld gemäß nachstehender Diskussion erzeugt.
Die Brennstoff/Luft-Anordnung 128 ermöglicht eine rasche Vermischung von Brennstoff und Luft innerhalb eines (nicht dargestellten) vorbestimmten lokalisierten Strömungsfeldes anschließend an die Einführung in die Brennkammer 106. Innerhalb der Anordnung 128 werden die Anzahl der Brennstoffeinlässe 126, die Werte der Einspritzwinkel des Luftstroms 132 in Bezug auf die Mittellinie 107, die Werte der radialen Winkel 134 und die Werte der Umfangswinkel 136, und die Größe und der Maßstab der Einlässe 124 und 126 variabel ausgewählt, um ein vorbestimmtes Strömungsfeld zu erzeugen, das eine rasche und gründliche Vermischung von Brennstoff und Luft ermöglicht. Insbesondere wird Brennstoff in die Brennkammer 106 über die Einlässe 126 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, die typischerweise schneller als die Einspritzgeschwindigkeit der in die Kammer 106 über den Einlass 124 eingespritzten Luft ist, wenigstens über einen Abschnitt der Betriebsbereiche des (in 1 dargestellten) Triebwerks 100 eingespritzt. Die höhere Geschwindigkeit des Brennstoffstroms 130 ermöglicht eine rasche und gründliche Vermischung des Brennstoffstroms 130 und des Luftstroms 132 innerhalb des lokalisierten Strömungsfeldes der Verbrennungskammer 106 nach dem Auftreffen der Ströme 130 und 132. Eine raschere und gründlichere Vermischung der Ströme 130 und 132 ermöglicht eine Verringerung der Verweilzeit des Brennstoff/Luft-Gemisches, so dass die vorbestimmte Verweilzeit innerhalb des lokalisierten Strömungsfeldes sich der thermischen NO_x-Induktionsdauer annähert. Ferner ermöglicht eine raschere und gründlichere Vermischung vor der anschließenden Verbrennung eine Reduzierung der Verbrennungstemperatur innerhalb des lokalisierten Strömungsfeldes, indem eine lokalisierte Rate der Wärmeabgabe wie vorstehend beschrieben ausgeglichen wird. Beide von diesen Effekten der raschen Vermischung ermöglichen eine Reduzierung der NO_x-Erzeugung, während sie gleichzeitig eine Erhöhung der Wärmeabgaberate pro Volumeneinheit der Verbrennungsvorrichtung 104 ermöglichen.
LDI-Verbrennungsverfahren, wie sie durch die Brennstoff/Luft-Anordnung 128 ermöglicht werden, ermöglichen auch eine Reduzierung der Möglichkeiten einer Selbstentzündung, Rückzündung und Flammenerhaltung (in anderen als den vorbestimmten Regionen der Brennkammer 104) in Bezug auf Mager-Vorgemisch-Verbrennungsverfahren. Beispielsweise reduziert das Fehlen von vorgemischten Brennstoff und Luft stromaufwärts von den Einlässen 124 und 126 eine Möglichkeit für eine Selbstentzündung und Rückzündung in der Anordnung 128 im Wesentlichen auf Null. Daher bieten die LDI-Verbrennungsverfahren einige von den Vorteilen der Diffusions- und Mager-Vorgemisch-Verbrennungsverfahren ohne einige von deren Nachteilen.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung 140, die mit der Verbrennungsvorrichtung 104 verwendet werden kann. Die Anordnung 140 ähnelt im Wesentlichen der Anordnung 128 mit der Ausnahme, dass die Anordnung 140 wenigstens einen Spül- und Kühlluftdurchtritt 141 in Strömungsverbindung mit einem Luftdurchtritt 122 und der Brennkammer 106 verbunden enthält. Jeder von den Durchtritten 141 bildet einen Einlass 142 in der Wand 105, der eine Einführung eines Spül- und Kühlluftstroms 143 in die Kammer 106 ermöglicht. Die Luftdurchtritte 141 können in jedem beliebigen Winkel in Bezug auf die Mittellinie 107 und die Wand 105 orientiert sein, um den Betrieb der Verbrennungsvorrichtung 104 wie hierin beschrieben zu ermöglichen, einschließlich beispielsweise nicht parallel zu dem Luftdurchtritt 122 und in unterschiedlichen Winkeln in Bezug zueinander. Im Betrieb ermöglichen die Luftdurchtritte 141 die Verminderung einer Flammenerhaltung in der Nähe der Wand 105 zwischen dem Lufteinlass 124 und den Brennstoffeinlässen 126, indem wenigstens ein Teil des Luftstroms 132 in die zugeordneten Regionen innerhalb der Kammer 106 eingespritzt wird. Ein derartiges Verfahren ermöglicht das Wegspülen von Brennstoff von der Wand 105. Ferner ermöglicht ein derartiges Verfahren das Kühlen lokalisierter Regionen der Wand 105. Alternativ führen die Durchtritte 141 Brennstoff/Luft-Gemische und/oder inerte Verdünnungsmittel, um eine Verminderung der Flammenerhaltung zu ermöglichen, und die Kühlung wie vorstehend beschrieben zu ermöglichen.
5 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung 145, die mit der Verbrennungsvorrichtung 104 verwendet werden kann. Die Anordnung 145 ähnelt im Wesentlichen der Anordnung 128 mit der Ausnahme, dass die Anordnung 145 wenigstens einen Spül- und Kühlfluiddurchtritt 146 enthält, der in Strömungsverbindung mit wenigstens einer (in 5 nicht dargestellten) Fluidquelle und der Brennkammer 106 verbunden ist. In einer alternativen Ausführungsform umfassen die Fluide, die genutzt werden können, sind aber nicht darauf beschränkt, Luft, vorgemischten Brennstoff und Luft und/oder inerte Verdünnungsmittel. Jeder von den Durchtritten 146 bildet einen Einlass 147 in der Wand 105, der die Einführung eines Spül- und Kühlluftstroms 148 in die Kammer 106 ermöglicht. Die Luftdurchtritte 146 können in jedem beliebigen Winkel in Bezug auf die Mittellinie 107 und die Wand 105 orientiert sein, um den Betrieb der Verbrennungsvorrichtung 104 wie hierin beschrieben zu ermöglichen, einschließlich beispielsweise nicht parallel zu dem Luftdurchtritt 122 und in unterschiedlichen Winkeln in Bezug zueinander. Im Betrieb ermöglichen die Luftdurchtritte 146 die Verminderung einer Flammenerhaltung in der Nähe der Wand 105 zwischen dem Lufteinlass 124 und den Brennstoffeinlässen 126 durch Einspritzen von Fluidströmen 148 in die zugeordneten Regionen in der Kammer 106. Ein derartiges Verfahren ermöglicht das Wegspülen von Brennstoff von der Wand 105. Ferner ermög licht ein derartiges Verfahren die Kühlung von lokalisierten Regionen der Wand 105.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht von alternativen Brennstoff/Luft-Anordnungen 140 (dargestellt in 4) und 145 (dargestellt in 5) entlang der Linie 6-6. Spül- und Kühllufteinlässe 142 sind radial zwischen Brennstoffeinlässen 126 und Lufteinlässen 124 in der Anordnung 140 angeordnet. Die Spül- und Kühlfluideinlässe 147 sind in einer ähnlichen Weise in der Anordnung 145 positioniert. Die Einlässe 142 und Einlässe 147 können in Umfangsrichtung um den Einlass 124 herum positioniert sein, was den Betrieb der Verbrennungsvorrichtung 104 wie hierin beschrieben ermöglicht. Ferner kann alternativ jede Kombination von Lufteinlässen 142 und Fluideinlässen 147 verwendet werden, welche den Betrieb der Verbrennungsvorrichtung 104 wie hierin beschrieben ermöglicht. Ferner enthalten alternativ die Brennstoff/Luft-Anordnungen 140 und 145 mehrere von ersten Fluid- oder Luft-Durchtritten in Umfangsrichtung benachbart zu wenigstens einem zweiten Fluid- oder Brennstoff-Durchtritt (keiner davon ist dargestellt), der in Brennstoff/Luft-Anordnungen 140 und 145 positioniert ist, um den Betrieb des Triebwerks 100 wie hierin beschrieben zu ermöglichen.
7 ist eine schematische Endansicht von mehreren exemplarischen Brennstoff/Luft-Anordnungen 128, die mit der Verbrennungsvorrichtung 104 verwendet werden können. In der exemplarischen Ausführungsform enthält die Wand 105 mehrere Brennstoff/Luft-Anordnungen 128, die in vorbestimmten Abständen voneinander positioniert sind. Eine vorbestimmte Anzahl von Anordnungen 128, die innerhalb eines spezifischen Bereichs der Wand 105 positioniert ist, d.h., eine größere Dichte von Anordnungen 128 ermöglicht ein größeres Verhältnis der Oberfläche der Wand 105 in Verbindung mit Anordnungen 128 zu einem volumetrischen Fluidstrom durch die Anordnungen 128 in die (in 2 dargestellte) Brennkammer 106. Eine Erhöhung dieses "Oberflächen/Volumen"-Verhältnisses ermöglicht anschließend eine Erhöhung der Gründlichkeit und Schnelligkeit der Brennstoff/Luft-Vermischung innerhalb der Brennkammer 106, um dadurch eine Abnahme der Verweilzeit und eine Abnahme der Verbrennungstemperatur dergestalt zu ermöglichen, dass anschließend eine Abnahme der NO_x-Erzeugung ermöglicht wird. Alternativ können die Brennstoff/Luft-Anordnungen 140 und/oder 145 anstelle von oder benachbart zu die Brennstoff/Luft-Anordnungen 128 positioniert sein. Ferner werden alternativ (nicht dargestellte) abwechselnde Ausführungsformen von Brennstoff/Luft-Anordnungen 128, 140 und/oder 145, die mehrere erste Fluid- oder Luft-Durchtritte in Umfangsrichtung benachbart zu wenigstens einen zweiten Fluid- oder Brennstoff-Durchtritt (keiner davon ist dargestellt) enthalten, der in den Brennstoff/Luft-Anordnungen 128, 140 und/oder 145 eingerichtet und positioniert ist, um den Betrieb des Triebwerks 100 wie hierin beschrieben zu ermöglichen, verwendet.
8 ist eine schematische Endansicht einer alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung 150, die mit der Verbrennungsvorrichtung 104 verwendet werden kann. Die Anordnung 150 enthält mehrere in der Wand 105 definierte Brennstoffeinlässe 152 und Lufteinlässe 154. Die Einlässe 152 und 154 ähneln im Wesentlichen den (in den 2 und 3 dargestellten) Einlässen 126 bzw. 124. In der Wand 105 sind mehrere runde innere, mittlere und äußere konzentrische Ringe 151, 153 bzw. 155 von Brennstoffeinlässen 152 und Lufteinlässen 154 definiert. Jeder von den Einlässen 152 und 154 ist mit (in 8 nicht dargestellten) vorbestimmten Radial- und Umfangseintrittswinkeln eingerichtet, um mehrere Brennstoff- und Luftauftreffpunkte zu erzeugen, die eine Luft- und Brennstoffvermischung und Wirbelausbildung gemäß vorstehender Beschreibung ermöglichen. Beispielsweise ist jeder von den Einlässen 152 dafür eingerichtet, das Zusammentreffen von Brennstoff mit Luft in Verbindung mit in Umfangsrichtung benachbarten Lufteinlässen 154 zu ermöglichen, um einen Wirbel auszubilden, der mehrere vorbestimmte lokalisierte Strömungsfelder ausbildet. Derartige lokale Strömungsfelder ermöglichen die Ausbildung einer lokalisierten Verbrennung mit lokalen Flammen. Eine derartige Brennstoff/Luft-Vermischung und lokale Flammenausbildung ermöglicht die Kombination lokaler Flammen, um die Erzeugung vorbestimmter Gesamtströmungsfelder und Gesamtflammen wie nachstehend weiter beschrieben, zu erzeugen.
Eine Ausführungsform einer alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung 150 enthält Konfigurationsringe 151, 153 und 155, um im Wesentlichen (nicht dargestellte) konzentrische gegenläufige oder entgegengesetzt verwirbelnde Brennstoff/Luft-Gemisch/Verbrennungs-Strömungsfelder zu erzeugen, welche anschließend ein vorbestimmtes (nicht dargestelltes) Gesamtströmungsfeld erzeugen. Beispielsweise können die Ringe 151 und 155 so eingerichtet sein, dass sie im Uhrzeigersinn rotierende Strömungsfelder erzeugen, während der Ring 153 so eingerichtet ist, dass er ein gegen den Uhrzeigersinn rotierendes Strömungsfeld erzeugt. Jeder von den mehreren radial benachbarten konzentrischen Ringen von Verwirbelungsgemischen, die die zugeordneten Strömungsfelder erzeugen, können zugeordnete Fluidströme aufweisen, die im Wesentlichen in entgegen gesetzten Umfangsrichtungen strömen. Die Überkreuzungspunkte der gegenläufigen Fluidströme sind typischerweise durch Verwirbelungen gekennzeichnet, welche in derselben Richtung innerhalb lokalisierter Strömungsfelder strömen. Das sich ergebende Gesamtströmungsfeld enthält Wechselwirkungen benachbarter entgegen gesetzt wirbelnder Strömungsfelder, welche die Erzeugung einer vorbestimmten Verwirbelungszahl und Turbulenz innerhalb des Gesamtströmungsfeldes ermöglichen, und dadurch die Ausbildung eines im Wesentlichen verwirbelungsfreien Gesamtströmungsfeldes mit guten Flammenerhaltungseigenschaften ermöglichen.
Ferner ermöglichen die Regionen des Gesamtströmungsfeldes, in welchen sich die (in 8 nicht dargestellten) Brennstoff- und Luftströme lokal überschneiden, eine Flammenstabilisierung. Ferner enthält das sich ergebende Gesamtströmungsfeld Wechselwirkungen benachbarter in gleicher Richtung wirbelnder Strömungsfelder, welche eine Verwirbelung und Turbulenz in dem Gesamtströmungsfeld ermöglichen, das ferner die Ausbildung eines vorbestimmten Wirbels ermöglicht. Eine derartige Wirbelausbildung ermöglicht auch einem Wirbelabriss, wobei sich eine (nicht dargestellte) Rezirkulationszone zwischen dem Gesamtströmungsfeld und der Wand 105 ausbildet, und die Brennstoff/Luft-Gemische das Gesamtströmungsfeld in die Rezirkulationszone hinein verlassen. Die Brennstoff/Luft-Gemische werden dann in das Gesamtströmungsfeld zurück eingespritzt, um dadurch die Erhöhung der Turbulenz des Gesamtströmungsfeldes, die Verringerung der Brennstoff- und Luftverweilzeit, der Verbrennungstemperaturen innerhalb des Gesamtströmungsfeldes und demzufolge der NO_x-Ausbildung zu ermöglichen. Ein derartiger Wirbelabriss ermöglicht auch eine Flammenstabilisierung.
Eine weitere Ausführungsform einer alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung 150 enthält Konfigurationsringe 151, 153 und 155, um einen Wirbel zu erzeugen, der im Wesentlichen kreisförmige (nicht dargestellte) in gleicher Richtung rotierende Brennstoff/Luft-Gemisch/Verbrennungs-Strömungsfelder erzeugt, welche anschließend eine (nicht dargestellte) Gesamtvolumenströmung erzeugen. Beispielsweise können die Ringe 151, 153 und 155 dafür eingerichtet sein, im Uhrzeigersinn gleichzeitig rotierende oder gleichzeitig verwirbelnde Strömungsfelder zu erzeugen. Jeder von den mehreren radial benachbarten konzentrischen Ringen von Verwirbelungsgemischen, der die zugeordneten Strömungsfelder definiert, kann zugeordnete Fluidströme aufweisen, die im Wesentlichen in ähnlichen Umfangsrichtungen strömen. Das sich ergebende Gesamtströmungsfeld enthält Wechselwirkungen benachbarter in gleicher Richtung wirbelnder Strömungsfelder, die einander so gegenüberliegen, dass sie eine Verwirbelung und Turbulenz innerhalb des Gesamtströmungsfeldes ermöglichen, die ferner die Erzeugung des vorbestimmten Wirbels mit Brennstoff- und Luft-Mischeigenschaften ermöglicht, welche typischerweise denen der vorstehend beschriebenen entgegengesetzt wirbelnden Ausführungsformen überlegen sind.
Eine weitere Ausführungsform einer alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung 150 beinhaltet die Konfiguration jedes Brennstoffeinlasses 152 und Lufteinlasses 154 so, dass eine beliebige Kombination von Einlässen 152 und 154 in jedem der Ringe 151, 153 und 155 sich über einen Bereich von Betriebsbedingungen des (in 1 dargestellten) Triebwerks 100 im Betrieb befinden kann. Beispielsweise ist die Anordnung 150 so eingerichtet, dass eine vorbestimmte Anzahl von und Anordnung von Brennstoffeinlässen 152 für einen spe ziellen Bereich der Energieerzeugung des Triebwerks 100 in Betrieb ist. Die vorbestimmte Konfiguration von aktiven Brennstoffeinlässen 152 ermöglicht eine ausreichende Wärmeabgabe, um die Energieerzeugungsanforderungen zu unterstützen, während gleichzeitig ein Wirbel gebildet wird, der es ermöglicht, dass die Brennstoff/Luft-Vermischung die NO_x-Erzeugung vermindert. Derartige Konfigurationen können die Konfiguration 153 umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, um lokalisierte und verwirbelnde Ringströmungsfelder zu erzeugen, die mit lokalisierten und verwirbelnden Ringströmungsfeldern in Wechselwirkung treten, die durch einen Ring 151 unterschiedlich zu den durch den Ring 155 erzeugten Verwirbelungsringströmungsfeldern erzeugt werden.
9 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnittes einer in 8 dargestellten Brennstoff/Luft-Anordnung 150 und entlang der Ellipse 9-9. 10 ist eine schematische Querschnittsdraufsichtansicht auf den Abschnitt der in 9 dargestellten Brennstoff/Luft-Anordnung 150 und entlang der Linie 10-10. In dieser Konfiguration ist einer von jedem einzelnen Brennstoffeinlass 152, Lufteinlass 154, Brennstoffdurchtritt 156 und Luftdurchtritt 158 in der Verbrennungsvorrichtungswand 105 definiert. Eine relative Konfiguration der Einlässe 152 und 154 ist ebenfalls unterhalb der Anordnung 150 dargestellt. Die Durchtritte 156 und 158 ermöglichen eine Zuführung eines Brennstoffstroms 160 bzw. eines Luftstroms 162 in die Brennkammer 106 über die Einlässe 152 und 154. Ein Brennstoffstrom 160 wird in die Kammer 106 mit einem vorbestimmten Winkel 161 eingespritzt, der zu der (in 8 dargestellten) Verbrennungskammermittellinie 107 schräg ist. Der Luftstrom 162 wird in die Kammer 106 mit einem vorbestimmten Winkel 163 eingespritzt, welcher zu der Verbrennungs kammermittellinie 107 schräg ist. Die Winkel 161 und 163 definieren einen vorbestimmten Eintrittswinkel 164 der Ströme 160 und 162. Der vorbestimmte Eintrittswinkel 164 der Ströme 160 und 162 ermöglicht eine gründliche und rasche Vermischung des Brennstoffstroms 160 und des Luftstroms 162.
11 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnittes einer alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung 170, die mit der (in 2 dargestellten) Verbrennungsvorrichtung 104 verwendet werden kann. 12 ist eine schematische Querschnittsdraufsichtansicht auf den Abschnitt der in 11 dargestellten alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung 170 entlang der Linie 12-12. In dieser Konfiguration sind ein Paar von Brennstoffeinlässen 152, ein Lufteinlass 154, ein Paar von Brennstoffdurchtritten 156 und ein Luftdurchtritt 158 in der Verbrennungsvorrichtungswand 105 definiert. Die Einlässe 152 und 154 sind ebenfalls unterhalb der Anordnung 150 perspektivisch dargestellt. Die Durchtritte 156 und 158 ermöglichen die Einspritzung eines Brennstoffstroms 160 und eines Luftstroms 162 in die Brennkammer 106 über die Einlässe 152 bzw. 154. Der Einlass 154 ist für die Einspritzung eines Luftstroms 162 in die Brennkammer 160 im Wesentlichen parallel zu der (in 8 dargestellten) Brennkammermittellinie 107 eingerichtet. Die Einlässe 152 sind eingerichtet, dass sie die Ströme 160 in die Brennkammer 106 in einem vorbestimmten schrägen radialen Eintrittswinkel 168 einspritzen, der eine gründliche und rasche Vermischung der Brennstoffströme 160 und des Luftstroms 162 ermöglicht. Die Ströme 160 können auch mit einem (in 3 dargestellten) vorbestimmten schrägen Umfangseintrittswinkel 136 orientiert sein. Alternativ können ein Brennstoffeinlass 152, ein Paar von Luft einlässen 154, ein Brennstoffdurchtritt 156 und ein Paar von Luftdurchtritten 158 in der Verbrennungsvorrichtungswand 105 mit Luftdurchtritten 158 orientiert sein, um sicherzustellen, dass Ströme 162 mit vorbestimmten schrägen Radial- und Umfangseintrittswinkeln in den Strom 160 eingespritzt werden, um eine gründliche und rasche Vermischung des Brennstoffstroms 160 und der Luftströme 162 zu ermöglichen. Ferner weist alternativ die Brennstoff/Luft-Anordnung 170 eine beliebige Anzahl von Lufteinlässen 154 und Luftdurchtritten 158 pro einzelnem Brennstoffeinlass 152 und Brennstoffeinlass 156 in beliebiger Konfiguration auf, die den Betrieb der Brennstoff/Luft-Anordnung 170 gemäß Beschreibung hierin ermöglicht.
13 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnittes einer alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung 180, welche mit der (in 2 dargestellten) Verbrennungsvorrichtung 104 verwendet werden kann. 14 ist eine schematische Querschnittsdraufsichtansicht auf einen Abschnitt der in 13 dargestellten alternativen Brennstoff/Luft-Anordnung 180 entlang der Linie 14-14. In dieser Konfiguration sind vier Brennstoffeinlässe 152, ein Lufteinlass 154, vier Brennstoffdurchtritte 156 und ein Luftdurchtritt 158 in der Verbrennungsvorrichtungswand 105 definiert. Eine relative Konfiguration der Einlässe 152 und 154 ist ebenfalls unter der Anordnung 180 perspektivisch dargestellt. Die Durchtritte 156 und 158 ermöglichen eine Zuführung eines Brennstoffstroms 160 bzw. eines Luftstroms 162 in die Brennkammer 106 über die Einlässe 152 bzw. 154. Der Einlass 154 ist dafür eingerichtet, den Luftstrom 162 in die Brennkammer 106 im Wesentlichen parallel zu der (in 8 dargestellt) Brennkammermittellinie 107 einzuspritzen. Jeder Einlass 152 ist in Umfangsrichtung um den Ein lass 154 herum orientiert, um vorbestimmte schräge Radial- und Umfangseintrittswinkel der Ströme 160 (der radiale Winkel 172 ist perspektivisch dargestellt) zu ermöglichen, welche eine gründliche und rasche Vermischung der Brennstoffströme 160 und des Luftstroms 162 ermöglichen. Ferner können alternativ ein Brennstoffeinlass 152, vier Lufteinlässe 154, ein Brennstoffdurchtritt 156 und vier Luftdurchtritte 158 in der Verbrennungsvorrichtungswand 105 orientiert sein, wobei die Luftdurchtritte 158 dafür eingerichtet sind, um sicherzustellen, das die Ströme 162 in den Strom 160 eingespritzt werden, um eine gründliche und rasche Vermischung des Brennstoffstroms 160 und der Luftströme 162 zu ermöglichen.
Jede von den Anordnungen 128 (dargestellt in den 2 und 3), 140 (dargestellt in den 4 und 6), 145 (dargestellt in den 5 und 6), 150 (dargestellt in den 8, 9 und 10), 170 (dargestellt in den 11 und 12) und 180 (dargestellt in den 13 und 14) kann auch eine Zuführung und Einspritzung jeder Kombination von vorgemischtem Brennstoff, Luft und/oder inerten Verdünnungsmitteln über einen beliebigen Durchtritt ermöglichen, der eine Verbrennung unter gleichzeitiger Reduzierung von NO_x wie hierin beschrieben ermöglicht. Ferner kann jeden von den Anordnungen 128, 140, 145, 150, 170 und 180 eine Verminderung der Flammenerhaltung in der Nähe der Wand 105 ermöglichen, indem kleine Luft- oder Inertfluid-Einlässe (ähnlich den in 4, 5 und 6 und nicht in den 8-14 dargestellten) positioniert werden, um das zugeordnete Fluid einzuspritzen und die zugeordneten Regionen von Brennstoff frei zu spülen und um auch ein Kühlen wenigstens eines Abschnittes der Wand 105 zu ermöglichen.
Typischerweise kann die Verbrennung von bestimmten Brennstoffen innerhalb trockener Gasturbinentriebwerke mit niedrigem NO_x, welche typischerweise als DLN Gasturbinentriebwerke bezeichnet wird, aufgrund der Eigenschaften in Verbindung mit den brennbaren Bestandteilen, wie z.B. Wasserstoff, in den Brennstoffen schwierig sein. Jede von den Anordnungen 128, 140, 145, 150, 170 und 180 kann im Wesentlichen in jedes Gasturbinentriebwerk eingefügt werden, um eine Verbrennung und Reduzierung von NO_x durch direkte Einspritzung von Brennstoff, Luft und/oder verdünnenden Strömen zur Ergänzung der Einspritzung von vorgemischtem Brennstoff, Luft und/oder Verdünnungsmittels zu ermöglichen.
Ferner ermöglichen die Anordnungen 128, 140, 145, 150, 170 und 180 eine flexible Positionierung und Orientierung derartiger Anordnungen 128, 140, 145, 150, 170 und 180 in einer breiten Vielfalt von Geometrien, die einen Betrieb des Triebwerks 100 über eine breite Vielfalt von Betriebsenergieerzeugungsbereichen unter Verwendung einer breiten Vielfalt von Brennstoffen und Verdünnungsmitteln ermöglichen, wie es nachstehend weiter diskutiert wird. Ferner ermöglicht die Erhöhung einer Dichte von Brennstoff/Luft-Anordnungen 128, 140, 145, 150, 170 und 180 innerhalb eines Triebwerks 100 die Erhöhung der Wärmeabgaberate pro Einheitsvolumen des Triebwerks 100, und ermöglicht dadurch eine Reduzierung in der Größe und den Kosten des Triebwerks 100 für einen vorbestimmten Betriebsenergieerzeugungsbe reich.
15 ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Verbrennungsvorrichtung 204, die mit dem (in 1 dargestellten) Triebwerk 100 verwendet werden kann. Die Vorrichtung 204 enthält eine Wand 205, welche we nigstens teilweise eine Verbrennungskammer 206 definiert. Die Vorrichtung 204 enthält auch mehrere LDI-Brennstoff/Luft-Anordnungen 211, welche im Wesentlichen den Anordnungen 128 (dargestellt in den 2 und 3), 140 (dargestellt in den 4 und 6), 145 (dargestellt in den 5 und 6), 150 (dargestellt in den 8, 9 und 10), 170 (dargestellt in den 11 und 12) und 180 (dargestellt in den 13 und 14) ähneln. Die Vorrichtung 204 ist so eingerichtet, dass eine beliebige Anzahl von Anordnungen 211 in einer beliebigen Konfiguration positioniert und orientiert werden, die die Erzeugung mehrerer lokalisierter und Gesamtströmungsfelder (wovon keine dargestellt sind) ermöglicht, die ferner Wärmeabgaberaten und NO_x-Erzeugungsraten im Wesentlichen während des vollen Betriebsbereichs des Triebwerks 100 gemäß Beschreibung hierin ermöglichen. Die Vorrichtung 204 enthält ferner ein Übergangsteil 212, das die Zuführung eines Verbrennungsgasstroms 213 zur (in 1 dargestellten) Turbine 108 ermöglicht. In dieser alternativen Ausführungsform kann sich das Übergangsteil 212 von der Brennkammer 206 zur Turbine 108 mit einer kürzeren Länge erstrecken, als sie oft im Fachgebiet angewendet wird. Ferner können in dieser alternativen Ausführungsform das Übergangsteil 212 und die Wand 205 als ein integriertes Teil hergestellt sein.
16 ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Verbrennungsvorrichtung 304, die mit dem (in 1 dargestellten) Triebwerk 100 verwendet werden kann. Die Vorrichtung 304 enthält eine Wand 305, die wenigstens teilweise eine Brennkammer 306 bildet. Die Vorrichtung 304 enthält auch mehrere LDI-Brennstoff/Luft-Anordnungen 311, die im Wesentlichen den Anordnungen 128 (dargestellt in den 2 und 3), 140 (dargestellt in den 4 und 6), 145 (dargestellt in den 5 und 6), 150 (dargestellt in den 8, 9 und 10), 170 (dargestellt in den 11 und 12) und 180 (dargestellt in den 13 und 14) ähneln. Die Vorrichtung 304 ist so eingerichtet, dass eine beliebige Anzahl von Anordnungen 311 in einer beliebigen Konfiguration positioniert und orientiert sind, welche die Ausbildung mehrerer lokalisierter und Gesamtströmungsfelder (keines davon ist dargestellt) ermöglicht, die ferner Wärmeabgaberaten und NO_x-Erzeugungsraten im Wesentlichen während des vollen Betriebsbereichs des Triebwerks 100 wie hierin beschrieben ermöglichen. Die Vorrichtung 304 ist direkt in Strömungsverbindung mit der (in 1 dargestellten) Turbine 108 verbunden und ermöglicht die Zuführung eines Verbrennungsgasstroms 313 zur Turbine 108 so, sodass ein Übergangsteil nicht benötigt wird. Anordnungen 311 sind entlang der Wand 305 angeordnet, um eine Kühlung der Vorrichtung 304 zu ermöglichen.
17 ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Verbrennungsvorrichtung 404, die mit dem (in 1 dargestellten) Triebwerk 100 verwendet werden kann. Die Vorrichtung 404 enthält eine Wand 405, die wenigstens teilweise eine Brennkammer 406 bildet. Die Vorrichtung 404 enthält auch mehrere LDI-Brennstoff/Luft-Anordnungen 411, die im Wesentlichen den Anordnungen 128 (dargestellt in den 2 und 3), 140 (dargestellt in den 4 und 6), 145 (dargestellt in den 5 und 6), 150 (dargestellt in den 8, 9 und 10), 170 (dargestellt in den 11 und 12) und 180 (dargestellt in den 13 und 14) ähneln. Die Vorrichtung 404 ist so eingerichtet, dass eine beliebige Anzahl von Anordnungen 411 in einer beliebigen Konfiguration positioniert und orientiert sind, welche die Ausbildung mehrerer lokalisierter und Gesamtströmungs felder (keines davon ist dargestellt) ermöglicht, die ferner Wärmeabgaberaten und NO_x-Erzeugungsraten im Wesentlichen während des vollen Betriebsbereichs des Triebwerks 100 wie hierin beschrieben ermöglichen. Die Vorrichtung 404 ist direkt in Strömungsverbindung mit der (in 1 dargestellten) Turbine 108 verbunden und ermöglicht die Zuführung eines Verbrennungsgasstroms 413 zur Turbine 108 so, sodass ein Übergangsteil nicht benötigt wird. Anordnungen 411 sind entlang der Wand 305 angeordnet, um eine Kühlung der Vorrichtung 404 zu ermöglichen.
18 ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen Verbrennungsvorrichtung 504, die mit dem (in 1 dargestellten) Triebwerk 100 verwendet werden kann. Die Vorrichtung 504 enthält eine Wand 505, die wenigstens teilweise eine Brennkammer 506 bildet. Die Vorrichtung 504 enthält auch mehrere LDI-Brennstoff/Luft-Anordnungen 511, die im Wesentlichen den Anordnungen 128 (dargestellt in den 2 und 3), 140 (dargestellt in den 4 und 6), 145 (dargestellt in den 5 und 6), 150 (dargestellt in den 8, 9 und 10), 170 (dargestellt in den 11 und 12) und 180 (dargestellt in den 13 und 14) ähneln. Die Vorrichtung 504 ist so eingerichtet, dass eine beliebige Anzahl von Anordnungen 511 in einer beliebigen Konfiguration positioniert und orientiert sind, welche die Ausbildung mehrerer lokalisierter und Gesamtströmungsfelder (keines davon ist dargestellt) ermöglicht, die ferner Wärmeabgaberaten und NO_x-Erzeugungsraten im Wesentlichen während des vollen Betriebsbereichs des Triebwerks 100 wie hierin beschrieben ermöglichen. Die Vorrichtung 504 enthält ferner ein Übergangsteil 512, das die Zuführung eines Verbrennungsgasstroms 513 zur (in 1 dargestellten) Turbine 108 ermöglicht. In dieser alternativen Ausführungs form kann sich das Übergangsteil 512 von der Brennkammer 506 zur Turbine 108 mit einer kürzeren Länge erstrecken, als sie oft im Fachgebiet angewendet wird. Ferner können in dieser alternativen Ausführungsform das Übergangsteil 512 und die Wand 505 als ein integriertes Teil hergestellt sein.
19 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Verwirbelungsvorrichtung 604, die mit dem (in 1 dargestellten) Triebwerk 100 verwendet werden kann. Die Vorrichtung 604 enthält eine Wand 605, die wenigstens teilweise eine Brennkammer 606 bildet, in welcher ein Brennstoffstrom erzeugt wird. Die Wand 605 enthält mehrere Brennstofföffnungen 607. Die Vorrichtung 604 enthält auch eine Verwirbelungsleitschaufel 612, wobei die Verwirbelungsleitschaufel 612 mehrere im Wesentlichen rechteckige Luftkammern 614 und mehrere Brennstofföffnungen 608 enthält. Jede von den Kammern 614 steht mit wenigstens einer (nicht dargestellten) Luftquelle in Verbindung. Mehrere (nicht dargestellte) Brennstoffdurchtritte sind innerhalb der Verwirbelungsleitschaufel 612 ausgebildet, so dass die Öffnungen 607 mit den Öffnungen 608 in Fluidverbindung verbunden sind. Ferner enthält jede von den Kammern 614 eine Öffnung 617. Jede von den Luftkammern 614, Luftöffnungen 617 und mehreren Brennstofföffnungen 618 bilden wenigstens eine Brennstoff/Luft-Anordnung 611. Die Anordnung 611 ähnelt im Wesentlichen den Anordnungen 128 (dargestellt in den 2 und 3), 140 (dargestellt in den 4 und 6), 145 (dargestellt in den 5 und 6), 150 (dargestellt in den 8, 9 und 10), 170 (dargestellt in den 11 und 12) und 180 (dargestellt in den 13 und 14). In einer Ausführungsform ist die Öffnung 617 im Wesentlichen rechteckig. Alternativ beinhaltet die Öffnung 617 jede Konfigu ration, welche einen Betrieb des Triebwerks 100 wie hierin beschrieben ermöglicht, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, im Wesentlichen runder und elliptischer Öffnungen. Ferner ist in einer Ausführungsform die Öffnung 608 im Wesentlichen rund. Alternativ enthält die Öffnung 608 jede Konfiguration, die den Betrieb des Triebwerks 100 wie hierin beschrieben ermöglicht, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, im Wesentlichen rechteckige und elliptische Öffnungen.
Jede von den Luftkammern 614 ist für die Aufnahme eines Luftstroms 616 eingerichtet. Jede von den Öffnungen 607 und 608 ist für die Aufnahme wenigstens eines Teils eines Luftstroms 613 eingerichtet. Jede von den Anordnungen 611 ist dafür eingerichtet, wenigstens einen Teil des Luftstroms 616 und des Brennstoffstroms 613 in eine Brennkammer 615 zu leiten. Die Anordnung 611 leitet einen Luftstrom 618 in die Brennkammer 615 und leitet wenigstens einen Brennstoffstrom 620 in die Brennkammer 615. Brennstoffströme 620 werden in die Brennkammer 615 in einem schrägen Winkel in Bezug auf den Luftstrom 618 eingeleitet, um dadurch einen Brennstoffstrom 620 mit einem Luftstrom 618 zu überkreuzen und zu vermischen. Der Strom 618 und 620 können auch jedes vorbestimmte Gemisch von Brennstoff, Luft, Verbrennungsgasen und/oder inerten Verdünnungsmitteln enthalten, welche den Betrieb des Triebwerks 100 wie hierin beschrieben ermöglichen. Ferner ist jeden von den Anordnungen 611 dafür eingerichtet, ein vorbestimmtes Gemisch wie vorstehend beschrieben, zu leiten, das sich von dem anderer Anordnungen 611 so unterscheidet, dass vorbestimmte lokalisierte Gesamtströmungsfelder (wovon keines dargestellt ist), innerhalb der Brennkammer 615 erzeugt werden.
Im Betrieb wird der Luftstrom 616 in eine Verwirbelungsleitschaufel 612, insbesondere in Luftkammern 614 geleitet. Der Brennstoffstrom 613 wird in die Kammer 606 geleitet und anschließend in die innerhalb der Verwirbelungsleitschaufel 612 ausgebildeten Öffnungen 607. Der Brennstoff wird aus den Öffnungen 607 in die Öffnungen 608 über zugeordnete Durchtritte geleitet. Jede von den Anordnungen 611 ermöglicht die Leitung von Luftströmen 618 aus den Kammern 614 über die Öffnungen 617 in die Brennkammer 615. Jede von den Anordnungen 611 ermöglicht auch die Leitung von Brennstoffströmen 620 in die Brennkammer 615, in welcher jeder Luftstrom 618 und Brennstoffstrom 620 aufeinander treffen, um sich gründlich in der Kammer 615 zu vermischen. Eine Luftmassenströmungsrate in Verbindung mit dem Luftstrom 616 und eine Brennstoff/Luft/Verdünnungsmittel-Massenstromrate in Verbindung mit dem Strom 613 werden so gesteuert, dass jede Kammer 615 ein vorbestimmtes Verhältnis von Brennstoff, Luft und Verdünnungsmitteln erhält. Die vorbestimmten (nicht dargestellten) Auftreffwinkel zwischen den Strömen 618 und 620 ermöglichen eine Vorvermischung in der Kammer 615 so, dass der Betrieb des hierin beschriebenen Triebwerks 100 ermöglicht wird. Zusätzlich können Brennstoff-, Luft- und/oder Verdünnungsdurchtritte innerhalb der Verwirbelungsleitschaufel 612 enthalten sein, um den Betrieb des Triebwerks 100 wie hierin beschrieben zu ermöglichen.
Das hierin beschriebene Gasturbinentriebwerk und die Verbrennungsvorrichtung ermöglichen die Verminderung von Verbrennungsproduktemissionen, während sie gleichzeitig eine vorbestimmte Wärmeabgaberate pro Einheitsvolumen ermöglichen. Insbesondere enthält das Triebwerk eine Mager-Direkteinspritzungs-Verbrennungsvorrichtung, welche eine gründliche und rasche Brennstoff/Luft-Vermischung als Ergebnis des Aufeinandertreffens eines Stroms von Brennstoff und Luft ermöglicht. Ein derartiges Aufeinandertreffen ermöglicht eine Reduzierung im NO_x, breitere Abwärtsregelungsgrenzen, Flammenstabilität, Verringerung der Abmessung der Verbrennungsvorrichtung, die zum Erzielen einer bestimmten Wärmeabgaberate erforderlich ist, und die Verminderung einer unerwünschten Verbrennungsdynamik, während Brennstoffe verbrannt werden, die Prozessgas und Syngas enthalten. Anschließend ermöglicht ein zugeordneter Luftdruckabfall innerhalb der in einer kleineren Verbrennungsvorrichtung definierten Kühlungsdurchtritte ein effizienteres Lufteinspritzverfahren. Demzufolge können der Betriebswirkungsgrad derartiger Triebwerke erhöht und die Kapital- und Betriebskosten des Triebwerks verringert werden.
Die Verfahren und Vorrichtungen zum Verbrennen von Syngas und Prozessgas, wie sie hierin beschrieben sind, ermöglichen den Betrieb eines Gasturbinentriebwerk. Insbesondere ermöglicht das Triebwerk gemäß vorstehender Beschreibung eine robustere Verbrennungsvorrichtungskonfiguration. Eine derartige Verbrennungsvorrichtungskonfiguration ermöglicht auch Wirkungsgrad-, Zuverlässigkeitsverbesserungen und reduzierte Wartungskosten und Gasturbinentriebwerkausfallzeiten.
Exemplarischen Ausführungsformen von Verbrennungsvorrichtungen, wie sie Gasturbinentriebwerken zugeordnet sind, sind vorstehend im Detail beschrieben. Die Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sind nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, und auch nicht auf die spezifischen dargestellten Gasturbinentriebwerke und Verbrennungsvorrichtungen.
Obwohl die Erfindung in Form verschiedener spezifischer Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass die Erfindung mit Modifikationen innerhalb des Erfindungsgedankens und des Schutzumfangs der Ansprüche ausgeführt werden kann.
Es wird eine Verbrennungsvorrichtung 104 bereitgestellt. Die Verbrennungsvorrichtung beinhaltet wenigstens eine Verbrennungsvorrichtungswand 105, die eine Brennkammer 106 definiert, wenigstens einen ersten Fluiddurchtritt 122, der wenigstens einen ersten Fluideinlass 124 in der wenigstens einen Verbrennungsvorrichtungswand definiert, wobei der wenigstens eine erste Fluiddurchtritt mit der Brennkammer in Fluidverbindung verbunden ist, der wenigstens erste Fluideinlass dafür eingerichtet ist, einen ersten Fluidstrom 132 in die Brennkammer einzuspritzen, und wenigstens einen zweite Fluiddurchtritt 120, der wenigstens einen zweiten Fluideinlass 126 in der wenigstens einen Verbrennungsvorrichtungswand definiert, wobei der wenigstens eine zweite Fluideinlass benachbart zu den wenigstens einen ersten Fluideinlass positioniert ist, der wenigstens eine zweite Fluideinlass mit der Brennkammer in Strömungsverbindung verbunden und dafür eingerichtet ist, einen zweiten Fluidstrom 130 in die Brennkammer in einem schrägen Winkel 134 in Bezug auf den ersten Fluidstrom so einzuspritzen, dass die zweiten und ersten Fluidströme sich in einem vorbestimmten Eintrittswinkel überschneiden.

3: Linie 3-3
6: Linie 6-6
9: Ellipse 9-9
10: Linie 10-10
12: Linie 12-12
14: Linie 14-14
100: Gasturbinentriebwerk
102: Kompressor
104: Verbrennungsvorrichtung
105: Verbrennungsvorrichtungswand
106: Brennkammer
107: Verbrennungskammermittellinie
108: Turbine
110: Kompressor/Turbinen-Welle
120: Brennstoffdurchtritt
122: Luftdurchtritt
124: Lufteinlass
126: Brennstoffeinlass
128: Brennstoff/Luft-Anordnung
130: Brennstoffstrom
132: Luftstrom
134: Schräger Radialwinkel
136: Schräger Umfangswinkel
140: Brennstoff/Luft-Anordnung
141: Luftdurchtritt
142: Lufteinlass
143: Kühlluftstrom
145: Brennstoff/Luft-Anordnung
146: Luftdurchtritt
147: Kühlfluideinlass
148: Kühlfluidstrom
150: Brennstoff/Luft-Anordnung
151: Ringförmiger innerer konzentrischer Ring
152: Brennstoffeinlässe
153: Ringförmiger mittlerischer konzentrischer Ring
154: Lufteinlässe
155: Ringförmiger äußerer konzentrischer Ring
156: Brennstoffdurchtritt
158: Luftdurchtritt
160: Brennstoffstrom
161: Vorbestimmter Brennstoffstromeinspritzwinkel schräg zur Brennkammermittellinie
162: Luftströme
163: Vorbestimmter Luftstromeinspritzwinkel schräg zur Brennkammermittellinie
164: Eintrittswinkel
168: Vorbestimmter schräger radialer Eintrittswinkel
170: Brennstoff/Luft-Anordnung
172: Radialer Winkel
180: Brennstoff/Luft-Anordnung
204: Verbrennungsvorrichtung
205: Wand
206: Verbrennungskammer
211: Brennstoff/Luft-Anordnung
212: Übergangsteil
213: Verbrennungsgasstrom
304: Verbrennungsvorrichtung
305: Wand
306: Verbrennungskammer
311: Brennstoff/Luft-Anordnung
313: Verbrennungsgasstrom
404: Verbrennungsvorrichtung
405: Wand
406: Brennkammer
411: Brennstoff/Luft-Anordnung
413: Verbrennungsgasstrom
504: Alternative Verbrennungsvorrichtung
505: Wand
506: Verbrennungskammer
511: Brennstoff/Luft-Anordnung
512: Übergangsteil
513: Verbrennungsgasstrom
604: Verwirbelungsvorrichtung
605: Wand
606: Brennstoffkammer
607: Brennstofföffnung
608: Brennstofföffnung
611: Brennstoff/Luft-Anordnung
612: Verwirbelungsleitschaufel
613: Brennstoffstrom
614: Luftkammer
615: Verbrennungskammer
616: Luftstrom
617: Luftöffnung
618: Brennstofföffnung
620: Brennstoffstrom

Claims

Verbrennungsvorrichtung (104), aufweisend: wenigstens eine Verbrennungsvorrichtungswand (105), die eine Brennkammer (106) definiert; wenigstens einen ersten Fluiddurchtritt (122), der wenigstens einen ersten Fluideinlass (124) innerhalb der wenigstens einen Verbrennungsvorrichtungswand definiert, wobei der wenigstens eine erste Fluiddurchtritt in Strömungsverbindung mit der Brennkammer verbunden ist, der wenigstens eine erste Fluideinlass dafür eingerichtet ist, einen ersten Fluidstrom (123) in die Brennkammer einzuspritzen; und wenigstens einen zweiten Fluiddurchtritt (120), der wenigstens einen zweiten Fluideinlass (126) innerhalb der wenigstens einen Verbrennungsvorrichtungswand definiert, wobei der wenigstens eine zweite Fluideinlass benachbart zu dem wenigstens einen ersten Fluideinlass positioniert ist, der wenigstens eine zweite Fluideinlass in Strömungsverbindung mit der Brennkammer verbunden ist und dafür eingerichtet ist, einen zweiten Fluidstrom (130) in die Brennkammer in einem schrägen Winkel (134) in Bezug auf den ersten Fluidstrom so einzuleiten, dass sich die zweiten und ersten Fluidströme bei einem vorbestimmten Eintrittswinkel überkreuzen.
Verbrennungsvorrichtung (104) nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine zweite Fluideinlass (126) mehrere zweite Fluideinlässe in Umfangsrichtung benachbart zu mehreren ersten Fluideinlässen (124) aufweist, wobei die mehreren zweiten Fluideinlässe und die mehreren ersten Fluideinlässe in einem im Wesentlichen runden Ring (151, 153 und 155) eingerichtet sind, und wobei die mehreren zweiten Fluideinlässe dafür eingerichtet sind, zusammenzuwirken, um wenigstens ein im Wesentlichen rundes Fluidströmungsmuster zu erzeugen.
Verbrennungsvorrichtung (104) nach Anspruch 2, wobei der wenigstens eine im Wesentlichen runde Ring (151, 153 und 155) mehrere im Wesentlichen konzentrische und runde Ringe aufweist, die dafür eingerichtet sind, ein erstes im Wesentlichen konzentrisches und rundes Strömungsmuster mit im Wesentlichen einer ersten Umfangsrichtung und wenigstens ein benachbartes im Wesentlichen konzentrisches und ringförmiges Strömungsmuster mit im Wesentlichen einem zweiten Umfangsrichtung zu erzeugen, wobei die ersten und benachbarten im Wesentlichen konzentrischen und ringförmigen Strömungsmuster wenigstens eines aufweisen von: dass die erste im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Richtung im Wesentlichen der zweiten im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Richtung entgegengesetzt ist; und dass die erste im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Richtung im Wesentlichen der zweiten im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Richtung ähnlich ist.
Verbrennungsvorrichtung (104) nach Anspruch 1, welche ferner wenigstens eine Verwirbelungsvorrichtung (604) aufweist, wobei die wenigstens eine Verwirbelungsvor richtung innerhalb der Verbrennungsvorrichtung positioniert ist, wobei die wenigstens eine Verwirbelungsvorrichtung dafür eingerichtet ist, das erste Fluid und das zweite Fluid vor der Einspritzung in die Brennkammer (106) zu vermischen, und wobei die wenigstens eine Verwirbelungsvorrichtung aufweist: wenigstens eine Kammer (606), die in Strömungsverbindung mit der wenigstens einen zweiten Fluidquelle verbunden ist; wenigstens eine Verwirbelungsleitschaufel (612), die mit der wenigstens einen Kammer und wenigstens einen ersten Fluidquelle in Strömungsverbindung verbunden ist; und mehrere Fluideinlässe (607, 608, 617), die dafür eingerichtet sind, eine Einspritzung des zweiten Fluidstroms (620) in die Brennkammer (615) in einem schrägen Winkel in Bezug auf den ersten Fluidstrom (616) so zu ermöglichen, dass sich die zweiten und ersten Ströme in einem vorbestimmten Eintrittswinkel überkreuzen.
Verbrennungsvorrichtung (104) nach Anspruch 4, wobei die mehreren Fluideinlässe (607, 608, 617) dafür eingerichtet sind, wenigstens einer zu sein von: einem im Wesentlichen rechteckigen Schlitz; einem im Wesentlichen elliptischen Schlitz; und einem im Wesentlichen runden Schlitz.
Verbrennungsvorrichtung (104) nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine erste Fluidstrom (132) wenigstens eines aufweist von: Luft; wenigstens einem Verbrennungsgas; wenigstens einem Verdünnungsmittel; und wenigstens einem Brennstoff.
Verbrennungsvorrichtung (104) nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine zweite Fluidstrom (130) wenigstens eines aufweist von: Luft; wenigstens einem Verbrennungsgas; wenigstens einem Verdünnungsmittel; und wenigstens einem Brennstoff.
Verbrennungsvorrichtung (104) nach Anspruch 1, welche ferner wenigstens eine Fluidanordnung (128) aufweist, wobei die wenigstens eine Fluidanordnung in wenigstens einem Abschnitt der wenigstens einen Verbrennungsvorrichtungswand (105) definiert ist, und wobei die wenigstens eine Fluidanordnung wenigstens einen aufweist von: mehreren zweiten Fluideinlässen (126), die in Umfangsrichtung um den wenigstens einen ersten Fluideinlass (124) in Abstand angeordnet sind; und mehreren ersten Fluideinlässe, die in Umfangsrichtung um den wenigstens einen zweiten Fluideinlass in Abstand angeordnet sind.
Verbrennungsvorrichtung (104) nach Anspruch 8, wobei die wenigstens eine Fluidanordnung (128) mehrere im Wesentlichen runde und konzentrische Ringe (151, 153 und 155) aufweist, die in wenigstens einem Abschnitt der wenigstens einen Brennkammerwand (105) definiert sind.
Verbrennungsvorrichtung (104) nach Anspruch 8, wobei jeder von den mehreren zweiten Fluideinlässen (126) zwischen einem Paar von in Umfangsrichtung benachbarten ersten Fluideinlässen (124) positioniert ist.