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Die
vorliegende Erfindung betrifft Gasturbinen, und speziell ein Magergemischdirektinjektions-(LDI
= Lean Direct Injection)-Verbrennungssystem, das den Ansatz eines
(ein Gehäuse
und Rohre verwendenden) Gehäuse-Rohr-Wärmetauschers nutzt,
um Brennstoff und Luft zu der Brennkammer zu befördern.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die
meisten Verbrennungsprozesse weisen in der einen oder anderen Weise
ein Rezirkulationsströmungsfeld
auf. Das Rezirkulationsströmungsfeld fördert die
Stabilisierung der Verbrennungsreaktionszone; allerdings kann eine
unnötig
große
Rezirkulationszone bei Verbrennungssystemen hohe Stickstoffoxid-(NOX)-Emissionen
hervorrufen.
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Es
hat sich herausgestellt, dass der Einsatz von Magergemischdirektinjektion
für die
Verbrennung eine Verringerung von NOx-Emissionen
ermöglicht.
Die Konstruktion einer Brennkammer mit Blick auf eine einfache und
gleichmäßige Injektion
vieler Brennstoff- und Luftströme
stellt allerdings eine Herausforderung dar. Ohne Vorvermischung
arbeitende Brennkammern setzen gewöhnlich mehrere Brennstoffkanäle ein,
um aus einer Diffusionsdüse
Brennstoff in durch einen äußeren Ring
der Diffusordüse strömende Luft
einzuspritzen. Dieses Verfahren erfordert mehrere Diffusordüsen mit
mehreren gesonderten Luft- und Brennstoffkanälen, die sämtliche in eine komplizierte
Kopfendanordnung eingebaut sind.
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Das
Gehäuse-Rohr-LDI-Verbrennungssystem
der vorliegenden Erfindung schafft ein Mittel, um auf einfache Weise
ein Verbrennungssystem zu konstruieren, das aus mehreren Sätzen von
LDI-Injektoren aufgebaut ist, die mittels eines Konzepts, das der Konstruktion
eines Gehäuse-Rohr-Wärmetauschers ähnelt, einen
gleichmäßigen Luft-
und Brennstoffstrom durch sämtliche
Kanäle
aufweisen. Ein Gehäuse-Rohr-Wärmetauscher
basiert auf einem Gehäuse,
in dessen Innerem ein Bündel
von Rohren angeordnet ist. Ein Fluid strömt durch die Rohre, und ein
anderes Fluid strömt
durch das Gehäuse
hindurch über
die Rohre hinweg, so dass Wärme
zwischen den beiden Fluiden übertragen
wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Magergemischdirektinjektions-(LDI)-Verbrennungssystem, das
den Ansatz eines Gehäuse-Rohr-Wärmetauschers
nutzt, um ein Gehäuse-Rohr-Magergemischdirektinjektor
(”LDI”) zu konstruieren,
der in Verbindung mit dem Verbrennungssystem verwendet wird. Gemäß der vorliegenden
Erfindung befördert
die eine Seite des LDI-Injektors, sei dies das Gehäuse oder
das Rohr, ein Oxidationsmittel, z. B. Luft, zu einer Brennkammer,
während
die jeweils andere Seite des LDI-Injektors Brennstoff zu der Brennkammer befördert. Die
Rohre befördern
das Oxidationsmittel (oder den Brennstoff oder das Verdünnungsmittel oder
Kombinationen davon) zu der Brennkammer, während geradlinige oder abgewinkelte
Bohrungen, die in eine Endplatte der Brennkammer gebohrt oder in
sonstiger Weise geschnitten sind, es dem Brennstoff (oder dem Oxidationsmittel
oder dem Verdünnungsmittel
oder Kombinationen davon) ermöglichen,
von dem Gehäuse
her in die Brennkammer einzutreten. Wärmetauscherkonstruktionstechniken, beispielsweise
Hartlöten
oder Schweißen,
werden verwendet, um die Komponenten des LDI-Verbrennungssystems
zusammenzubauen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
des Gehäuse-Rohr-Magerdirektinjektionsverbrennungssystems
der vorliegenden Erfindung.
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2 veranschaulicht
anhand einer weiteren teilweise geschnittenen perspektivischen Ansicht eines
Ausführungsbeispiels
des Gehäuse-Rohr-Magerdirektinjektionsverbrennungssystems
nach 1 in der Endplatte der Brennkammer ausgebildete
Bohrungen, die dazu dienen, Brennstoff von der Gehäuseseite
her und Luft von der Rohrseite her in die Brennkammer einzubringen.
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2A veranschaulicht
in einer quergeschnittenen schematischen Ansicht zwei verschiedene
Verfahren zum Schneiden von Brennstoff- und Luftbohrungen in dem
Ende der Brennkammer.
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3 zeigt
ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
des Gehäuse-Rohr-LDI-Verbrennungssystems,
bei dem in fortschreitendem Maße
größer bemessene
Gehäuse
ineinander angeordnet sind und in Verbindung mit entsprechenden
Gruppen von Rohren verwendet werden.
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4 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel
des Gehäuse-Rohr-LDI-Verbrennungssystems,
bei dem abgeflachte Rohre oder Stäbe/Platten oder Lamellengrundkörper verwendet
werden, um die Rohre zu bilden.
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5A bis 5D zeigen
ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel
des Gehäuse-Rohr-LDI-Verbrennungssystems,
das eine Gehäuse-Rohr-LDI-Anordnung
verwendet, die eine Gehäuseanordnung
enthält,
in der eine Rohranordnung eingeführt
ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 zeigt
eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
des Gehäuse-Rohr-Magerdirektinjektionsverbrennungssystems 10 der
vorliegenden Erfindung. Das Gehäuse-Rohr-LDI-Verbrennungssystem 10 enthält eine Brennkammer 12 und
einen Gehäuse-Rohr-Magergemischdirektinjektor 14,
der Brennstoff und ein Oxidationsmittel, z. B. Luft, zu der Brennkammer 12 befördert.
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Der
Gehäuse-Rohr-LDI 14 basiert
auf einem Gehäuse 16 und
einem Rohrbündel
oder mehreren Rohren 18, die innerhalb des Gehäuses 16 positioniert
sind. In dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
des in 1 dargestellten LDI 14 wird der Brennstoff
durch die ”Gehäuseseite” 16 des
LDI 14 hindurch zu der Brennkammer 12 befördert, während die
Luft durch die ”Rohrseite” 18 des
LDI 14 hindurch zu der Brennkammer 12 befördert wird.
Alternativ könnte
jedoch jede der Seiten entweder Brennstoff, Luft oder Verdünnungsmittel
oder eine beliebige Kombination davon enthalten.
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2 veranschaulicht
anhand einer weiteren teilweise geschnittenen perspektivischen Ansicht eines
Ausführungsbeispiels
des Gehäuse-Rohr-Magerdirektinjektionsverbrennungssystems 10 nach 1 zwei
Sätze von
in einer Endplatte der Brennkammer 12 ausgebildeten Bohrungen, die
dazu dienen, Brennstoff von der Gehäuseseite 16 her und
Luft von der Rohrseite 18 her in die Brennkammer 12 zu
injizieren.
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Die
mehreren Rohre 18 in dem Gehäuse 16 erstrecken
sich ausgehend von einer ersten Endplatte 20 des Gehäuses 16 in
voller Länge
quer über
das Innere des Gehäuses 16 zu
einer zweiten Endplatte 22 des Gehäuses 16. Die erste
Endplatte 20 weist eine Anzahl von Bohrungen 24 auf,
die in diese gebohrt oder in sonstiger Weise darin ausgebildet sind, und
in denen erste Enden 26 der Rohre 18 enden. Die
Anzahl der Bohrungen 24 in der Endplatte 20 entspricht
der Anzahl der Rohre 18 in dem Gehäuse 16. Die zweite
Endplatte 22 des Gehäuses 16 weist ebenfalls
eine Anzahl von Bohrungen 30 auf, die in diese gebohrt
oder in sonstiger Weise darin ausgebildet sind, in denen zweite
Enden 36 der Rohre 18 enden.
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Benachbart
zu der Endplatte 22 des Gehäuses 16 ist eine Endplatte
oder Kappe 32 der Brennkammer 12 angeordnet. Die
Endplatte 32 ist in 1 und 2 in
Phantomdarstellung gezeigt, um die in der Endplatte 32 ausgebildeten
Bohrungen, die zum Injizieren von Brennstoff und Luft in die Brennkammer 12 dienen,
auf einfache Weise zu veranschaulichen.
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Luft
tritt in die Brennkammer 12 durch die Rohrseite 18 des
LDI 14 des Ausführungsbeispiels des
in 1 und 2 gezeigten Verbrennungssystems 10 ein.
Wie aus 1 und 2 ersichtlich, sind
eine Anzahl von Bohrungen 34 in die Endplatte 32 gebohrt
oder in sonstiger Weise geschnitten. Die Bohrungen 34 entsprechen
hinsichtlich der Anzahl und Positionierung den Bohrungen 30 in
der Endplatte 22. Als solche dienen die Bohrungen 34 dazu,
Luft in die Brennkammer 12 zu injizieren. Zu diesem Zweck
ist die erste Endplatte 20 des Gehäuses 16 mit einem
in 1 dargestellten stromaufwärts gelegenen Sammelraum 40 verbunden.
Luft aus dem stromaufwärts
gelegenen Sammelraum 40 tritt in die in der Endplatte 20 ausgebildeten
Bohrungen 24 ein und strömt über in der Endplatte 32 ausgebildete Bohrungen 34 durch
die Rohre 18 in die Brennkammer 12.
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Brennstoff
tritt durch die Gehäuseseite 16 des
LDI 14 in die Brennkammer 12 ein. Das Gehäuse 16 weist
einen Brennstoffeinlass 28 auf, durch den Brennstoff in
das Gehäuse 16 gepumpt
wird. Die Endplatte 22 des Gehäuses 16 weist ferner
mehrere Brennstoffbohrungen 29 auf, die mehreren Brennstoffbohrungen 38 in
der Endplatte 32 der Brennkammer 12 entsprechen.
Der durch die Brennstoffbohrungen 29 und anschließend durch
die Brennstoffbohrungen 38 strömende Brennstoff wird in die Brennkammer 12 injiziert,
wo er mit Luft vermischt wird, die in die Brennkammer 12 von
Luftbohrungen 34 her eingespritzt wird, die mit den Rohren 18 verbunden
sind. Wie aus 2 zu ersehen, ist für jede Luftbohrung 34 in
der Endplatte 32 der Brennkammer 12 vorzugsweise
wenigstens ein Paar Brennstoffbohrungen 38 vorhanden, die
Erstere an zwei Seiten umgeben. Die Gehäuseseite 16, der Brennstoffeinlass 28,
die Brennstoffbohrungen 29 in der Endplatte 22 und
die durch die Endplatte 32 hindurch ausgebildeten Brennstoffbohrungen 38 sind
geeignet dimensioniert, um mit Blick auf eine einwandfreie Brennstoffzufuhr
zu der Brennkammer 12 durchweg einheitliche Bohrungsabmessungen
sicherzustellen.
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Die
Rohre 18 und das Gehäuse 16 können hart
verlötet
oder miteinander verschweißt
sein. Die Luftbohrungen 34 und die Brennstoffbohrungen 38 können unter
Einsatz eines beliebigen herkömmlichen
Verfahrens durch die Endplatte 32 hindurch gebohrt oder
geschnitten sein. In den in 1 und 2 dargestellten
Konstruktionen sind die Brennstoffbohrungen 38 zu Beginn
geradlinig und danach an ihrer Mündung
in der Endplatte 32 abgewinkelt ausgebildet, um in den
von den Luftbohrungen 34 her ankommenden Luftstrom Brennstoff
einzuspritzen. Die Brennstoffbohrungen 38 sind in 2 als
in die Brennkammer 12 mündend
dargestellt, sie könnten jedoch
so geschnitten sein, dass sie die Luftbohrungen in der Endplatte 32 schneiden,
so dass eine gewisse Vorvermischung von Luft und Brennstoff vor dem
Eintritt in die Brennkammer 12 geschaffen wird. Es ist
zu beachten, dass es auch möglich
wäre, die Brennstoff-
und Luftbohrungen 38 durch die Endplatte 32 hindurch
entweder mit den eintretenden Rohren fluchtend ausgerichtet, oder
durch die Endplatte 32, hindurch gegenüber den eintretenden Rohren
vollständig
abgewinkelt zu schneiden. Es ist ferner zu beachten, dass die Anzahl
oder Position der um eine Luftbohrung 34 herum angeordneten
Brennstoffbohrungen 38 auf der Grundlage einer Optimierung
der Leistung des Verbrennungssystems 10 variiert werden
könnte.
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2A zeigt
in einer schematischen Querschnittsansicht zwei verschiedene Verfahren
zur Ausbildung von Brennstoff- und Luftbohrungen in der Endplatte 32 der
Brennkammer. Das erste Verfahren basiert darauf, Bohrungen 38A zu
schneiden, die, ähnlich
wie die in 2 dargestellten Bohrungen, geradlinig
durch die Endplatte 32 hindurch ausgebildet sind. Das zweite
Verfahren basiert darauf, die Luft- und Brennstoffbohrungen 38B unter
einem Winkel zu schneiden, um den in die Brennkammer eintretenden Strom
abzuwinkeln. Rund um die Brennkammer kann eine Kombination unterschiedlicher
abgewinkelter Rohre verwendet werden, um eine Verwirbelung hervorzurufen.
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Die
Gehäuseseite 16 des
LDI 14 ist geeignet bemessen, um eine gewünschte Anzahl
von LDI-Injektorrohren 18 aufzunehmen. Das Verbrennungssystem 10 könnte einen
einzigen großen
Gehäuse-Rohr-LDI 14 enthalten,
so dass die Endplatte 22 des LDI 14 die Kappe 32 der
Brennkammer 12 bildet, oder die Brennkammer 10 könnte eine
Anzahl von kleineren Gehäuse-Rohr-LDIs 14 enthalten,
die benachbart zueinander in einem Muster um die Kappe 32 der
Brennkammer 12 angebracht sind.
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In
einem abgewandelten Ausführungsbeispiel
des Verbrennungssystems 10 würde der Brennstoff auf der
Rohrseite 18 befördert
werden, und die Luft auf der Gehäuseseite 16 befördert werden,
so dass Luft in den Brennstoff injiziert wird. Darüber hinaus
könnte
entweder die Brennstoffseite oder die Luftseite anstelle der Verwendung
reinen Brennstoffs oder reiner Luft ein vorgemischtes Luft/Brennstoffgemisch
enthalten, um die Vermischung von Luft und Brennstoff in der Brennkammer 12 zu
beschleunigen. Als ein Weg, um Verdünnungsmittel in die Brennkammer 12 einzubringen,
könnte
die Brennstoffseite oder die Luftseite auch eine gewisse Kombination
von Verdünnungsmitteln
enthalten.
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Ein
abgewandeltes Ausführungsbeispiel
des Verbrennungssystems 10 der vorliegenden Erfindung könnte in
dem Gehäuse-Rohr-LDI 14 mehrere (intern
unterteilte) Sätze
von Rohren und/oder getrennte Gehäuseabschnitte nutzen, um den
Einsatz mehrerer unterschiedlicher Luft/Brennstoff/Verdünnungsmittel-Kombinationen durch
mehrere unterschiedliche LDI-Kombinationen hindurch zu ermöglichen.
Ein Beispiel dieser Art eines Ausführungsbeispiels ist in 3 dargestellt,
bei dem in fortschreitendem Maße
größer bemessene,
ineinander angeordnete Gehäuse,
z. B. die Gehäuse 16A bis 16G,
in Verbindung mit entsprechenden Gruppen von Rohren, z. B. 18A bis 18G,
verwendet werden, die zu Bohrungen 29A bis 29G in
der Endplatte 22 führen.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
des Verbrennungssystems 10 der vorliegenden Erfindung könnten abgeflachte
Rohre 118, die zu Luftbohrungen 130 führen, die,
wie in 4A gezeigt, von einer größeren Anzahl
von Brennstoffbohrungen 129 umgeben sind, oder Stäbe/Platten
oder Lamellengrundkörper (dünne gewellte
Blechteile) 218 oder 318 benutzen, die zu Luftbohrungen 230 oder 330 führen, die,
wie in 4B und 4C gezeigt,
von sehr vielen Brennstoffbohrungen 229 oder 329 umgeben
sind. Die Stäbe/Platten
oder Lamellengrundkörper
könnten
hartverlötet
sein, um die unterschiedlichen Brennstoff/Luft/Verdünnungsmittel-Durchlasskanäle zu trennen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel
könnte
in fortschreitendem Maße
größer bemessene,
ineinander angeordnete Rohre aufweisen, wobei die Räume zwischen den
Rohren abwechselnd Luft, Brennstoff, Verdünnungsmittel oder eine gewisse
Kombination der Stoffe enthalten. Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel
könnte
vielfältige
verschiedene Abmessungen/Formen von Rohren in einer beliebigen Kombination
verwenden, um die Leistung zu optimieren.
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5A bis 5D veranschaulichen
noch ein weiteres Ausführungsbeispiel
des Gehäuse-Rohr-LDI-Verbrennungssystems
der vorliegenden Erfindung. Das in 5A bis 5D gezeigte Verbrennungssystem 50 weist
eine Brennkammer 52 und eine Gehäuse-Rohr-Magerdirektinjektoranordnung 54 auf,
die der Brennkammer 52 Brennstoff und Luft zuführt. Der
Gehäuse-Rohr-LDI 54 basiert
auf einer Gehäuseanordnung 56 und
einer in der Gehäuseanordnung 56 angeordneten
Rohranordnung 58.
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Zu
der Gehäuseanordnung 56 gehören ein großer Zylinder 60 mit
einem hohlen Zentrum, in dem die (in 5C gezeigte)
Rohranordnung 58, wie in 5D dargestellt,
eingeführt
ist, und zwei Flansche 62 und 64, die mit der
Außenseite
des Rohrs 60 verschweißt
sind, um dem Rohr 60 Festigkeit zu verleihen.
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Die
Rohranordnung 58 enthält
eine erste Endplatte 66, eine zweite Endplatte 68 und
ein Rohrbündel
oder mehrere Rohre 70, die sich zwischen den Endplatten 66 und 68 erstrecken.
Die erste Endplatte 66 weist eine Anzahl von Bohrungen 72 auf, die
in diese gebohrt oder darin in sonstiger Weise ausgebildet sind,
um von einem stromaufwärts
gelegenen Sammelraum 74 her Luft oder Brennstoff aufzunehmen.
Die zweite Endplatte 68 weist eine Anzahl von Bohrungen 76 und 78 auf,
die dazu dienen, Luft und Brennstoff in die Brennkammer 62 zu
injizieren. Die Rohre 70 erstrecken sich zwischen den Bohrungen 72 und 76.
Die Konfiguration der Bohrungen 72 und 76 ähnelt derjenigen
der Bohrungen 34 und 38, wie sie in 2 dargestellt
sind.
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An
der Gehäuseanordnung 56 sind
zwei (in 5A und 5B gezeigte)
zusätzliche
Flansche 76 und 78 befestigt, die dazu dienen,
die Anordnung 56 an entsprechenden Flanschen 80 und 82 anzubringen,
die an dem stromaufwärts
gelegenen Sammelraum 69 bzw. an der Brennkammer 52 angeordnet
sind. Die Gehäuseanordnung 56 weist
ferner einen Brennstoffeinlass 84 auf, durch den Brennstoff
in die Gehäuseanordnung 56 gepumpt
wird. Der in die Gehäuseanordnung 56 eingebrachte
Brennstoff wird seinerseits durch die in der Endplatte 68 ausgebildeten
Bohrungen 78 in die Brennkammer 52 eingespritzt.
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Das
Gehäuse-Rohr-LDI-Verbrennungssystem
der vorliegenden Erfindung ermöglicht
geringere NOx-Emissionen als herkömmliche
MNQC-Düsen.
In Tests zeigte sich, dass die unter Verwendung des Verbrennungssystems
erreichten NOx-Pegel weniger als halb so
hoch sind, wie jene, die unter ähnlichen Bedingungen
mittels MNQC-Düsen
erzielt werden. Hierdurch könnte
sich ein wesentlicher Vorteil mit Blick auf die Emissionen und/oder
eine Verringerung des Bedarfs an Verdünnungsmittel ergeben. Das Verbrennungssystem
der vorliegenden Erfindung schafft ferner eine bessere Verteilung
von Brennstoff und Luft, um die Verbrennung zu verbessern. Die Erfindung
ermöglicht
es, die Abmessungen von Injektoren hin zu sehr kleinen Abmessungen
zu reduzieren, oder sie sehr groß zu bemessen. Die Erfindung
kann anstelle herkömmlicher
MNQC-(Multi-Nozzle Quiet Combustion)-Technologie oder anstelle herkömmlicher
Diffusionsdüsen
in der DLN-(Dry-Low-NOx)-Technologie verwendet
werden. Die Erfindung kann ferner in jedem Solar-Gas-Triebwerk anstelle
herkömmlicher
MNQC-Düsen
oder in jeder herkömmlichen
DLN-Brennkammer anstelle von Diffusionsdüsen verwendet werden.
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Die
Erfindung wurde zwar anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben, von dem gegenwärtig
angenommen wird, dass es sich am besten verwirklichen lässt, allerdings ist
die Erfindung selbstverständlich
nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel
zu beschränken,
sondern soll vielmehr vielfältige
Modifikationen und äquivalente
Anordnungen abdecken, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Magergemischdirektinjektions-(LDI)-Verbrennungssystem 10 für eine Gasturbine,
die den Ansatz eines Gehäuse-Rohr-Wärmetauschers
nutzt, um einen Gehäuse-Rohr-Magergemischdirektinjektor
(”LDI” = Lean Direct
Injector) 14 für
das Verbrennungssystem 10 zu konstruieren. Eine Seite des
LDI-Injektors 14, sei dies die Gehäuseseite 16 oder die
Rohrseite 18, befördert
ein Oxidationsmittel, z. B. Luft, zu der Brennkammer 12,
während
die andere Seite des LDI-Injektors 14 Brennstoff zu der
Brennkammer 12 befördert. Geradlinige
oder abgewinkelte Bohrungen 34, 38, die in einer
Endplatte 32 der Brennkammer 12 ausgebildet sind,
ermöglichen
es dem Brennstoff, in die Brennkammer einzutreten 12 und
sich mit Luft zu vermischen, die in die Brennkammer 12 injiziert
wird.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Magergemischdirektinjektions-(LDI)-Verbrennungssystem 10 für eine Gasturbine,
die den Ansatz eines Gehäuse-Rohr-Wärmetauschers
nutzt, um einen Gehäuse-Rohr-Magergemischdirektinjektor
(”LDI” = Lean Direct
Injector) 14 für
das Verbrennungssystem 10 zu konstruieren. Eine Seite des
LDI-Injektors 14, sei dies die Gehäuseseite 16 oder die
Rohrseite 18, befördert
ein Oxidationsmittel, z. B. Luft, zu der Brennkammer 12,
während
die andere Seite des LDI-Injektors 14 Brennstoff zu der
Brennkammer 12 befördert. Geradlinige
oder abgewinkelte Bohrungen 34, 38, die in einer
Endplatte 32 der Brennkammer 12 ausgebildet sind,
ermöglichen
es dem Brennstoff, in die Brennkammer einzutreten 12 und
sich mit Luft zu vermischen, die in die Brennkammer 12 injiziert
wird.