DE102009025775A1

DE102009025775A1 - Vormischeinrichtung für eine Gasturbine

Info

Publication number: DE102009025775A1
Application number: DE102009025775A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Paul Lacy; Balachandar Cincinnati Varatharajan; Willy Steve Ziminsky; Gilbert O. Kraemer; Ertan Yilmaz; Patrick Benedict Melton; Baifang Zuo; Christian X. Stevenson; David Kenton Felling; Jong Ho Uhm
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2029-05-09
Also published as: US20100008179A1; FR2933766A1; CN101625122B; DE102009025775B4; CN101625122A; JP2010019542A; FR2933766B1; US8147121B2; JP5642357B2

Abstract

Eine Vormischeinrichtung (14) für eine Turbine (2) enthält einen Hauptkörper (44), der einen Einlassabschnitt (46), einen Auslassabschnitt (52) und eine Außenwand (45) aufweist, die gemeinsam wenigstens ein Fluidzufuhrplenum (74, 76, 78) bilden, und mehrere Fluidzufuhrrohre (60), die sich durch wenigstens einen Abschnitt des wenigstens einen Fluidzufuhrplenums (74, 76, 78) hindurch erstrecken. Jedes der mehreren Fluidzufuhrrohre (60) enthält wenigstens eine Fluidzufuhröffnung (103, 104, 105), die mit dem wenigstens einen Fluidzufuhrplenum (74, 76, 78) strömungsmäßig verbunden ist. Mit dieser Einrichtung wird ein erstes Fluid wahlweise zu dem wenigstens einen Fluidzufuhrplenum (74, 76, 78) geliefert, durch die wenigstens eine Fluidzufuhröffnung (103, 104, 105) hindurchgeleitet und mit einem zweiten Fluid vermischt, das durch die mehreren Fluidzufuhrrohre (66) strömt, bevor diese in einer Brennkammer (12) einer Turbine (2) verbrannt werden.

Description

Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der US-Regierung unter dem Auftrag Nr. DE-FC26-05NT4263 geschaffen, der durch das US Department of Energy (DOE) vergeben worden ist. Die Regierung hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung betreffen das Gebiet von Turbomaschinen-Verbrennungssystemen und insbesondere eine Vormischeinrichtung für eine Turbomaschinenbrennkammer.
Im Allgemeinen verbrennen Gasturbinen ein Brennstoff/Luft-Gemisch, was Wärmeenergie zur Erzeugung eines Hochtemperatur-Gasstroms freisetzt. Der Hochtemperatur-Gasstrom wird zu einer Turbine über einen Heißgaspfad geleitet. Die Turbine wandelt Wärmeenergie von dem Hochtemperatur-Gasstrom in mechanische Energie um, die eine Turbinenwelle in Drehung versetzt. Die Welle kann in vielfältigen Anwendungen, beispielsweise zur Lieferung von Leistung zu einer Pumpe oder einem elektrischen Generator, eingesetzt werden.
In einer Gasturbine steigt der Maschinenwirkungsgrad, wenn die Temperaturen des Verbrennungsgasstroms steigen. Bedauerlicherweise rufen höhere Gasstromtemperaturen höhere Niveaus an Stickoxid (NOx), eine Emission, die sowohl einer bundes- als auch einer landesstaatlichen Regulierung unterliegt, hervor. Folglich liegt ein umsichtiger Balanceakt zwischen dem Betreiben von Gasturbinen in einem effizienten Bereich und auch ei ner gleichzeitigen Sicherstellung, dass die Ausgabe an NOx unter vorgeschriebenen Niveaus bleibt.
Geringe NOx-Niveaus können erreicht werden, indem eine sehr gute Vermischung zwischen dem Brennstoff und der Luft sichergestellt wird. Es werden verschiedene Techniken, wie beispielsweise sogenannte Dry-Low-NOx-Brenner (DLN-Brenner mit Magervormischung und geringem NOx-Ausstoß), einschließlich mager vorgemischter Brennkammern und Mager-Direkteinspritz-Brennkammern, verwendet, um eine richtige Vermischung sicherzustellen. In Turbinen, die mager vorgemischte Brennkammern verwenden, wird Brennstoff in einer Vormischeinrichtung mit Luft vorvermischt, bevor er in eine Reaktions- oder Verbrennungszone eingelassen wird. Eine Vormischung reduziert Verbrennungstemperaturen und reduziert auch infolgedessen die NOx-Abgabe. Jedoch kann eine Vormischung in Abhängigkeit von dem speziell eingesetzten Brennstoff eine Selbstentzündung, einen Flammenrückschlag und/oder ein Flammenhalten innerhalb der Vormischeinrichtung herbeiführen.
In Turbinen, die Mager-Direkteinspritz-Konzepte (LDI-Konzepte, Lean Direct Injection) verwenden, werden Brennstoff und Luft vor einer Vermischung unmittelbar und gesondert in eine an einem stromaufwärtigen Ende einer Brennkammer angeordnete Brennkammerauskleidung eingeleitet. Jedoch erfahren einige Systeme, die LDI-Konzepte einsetzen, Schwierigkeiten bei einer schnellen und gleichmäßigen Vermischung von magerem Brennstoff und reichhaltiger Luft innerhalb der Brennkammerauskleidung. Lokale Flammentemperaturen in derartigen Zonen können minimale Schwellentemperaturen zur NOx-Bildung überschreiten und die Erzeugung von NOx auf inakzeptable Niveaus erhöhen. In bestimmten Fällen werden Verdünnungsmittel zugegeben, um die NOx-Niveaus zu reduzieren. Jedoch sind inerte Verdünnungsmittel nicht immer ohne weiteres verfügbar, sie können die Wärme rate der Maschine nachteilig beeinflussen und können Anlage- und Betriebskosten steigern.
Andere Systeme können eine Brennkammer verwenden, die eine stromabwärts der Reaktionszone angeordnete Verdünnungszone haben. In diesem Fall werden inerte Verdünnungsmittel unmittelbar in die Verdünnungszone eingeleitet, und sie vermischen sich mit dem Brennstoff/Luft-Gemisch, um ein vorbestimmtes Gemisch und/oder eine vorbestimmte Temperatur des in den Turbinenabschnitt eintretenden Gasstroms zu erreichen. Jedoch sind, wie oben beschrieben, inerte Verdünnungsmittel nicht stets verfügbar, und sie können die Maschinenwärmerate nachteilig beeinflussen und können Anlage- und Betriebskosten steigern. Außerdem ergibt die Zugabe von Verdünnungsmitteln stromabwärts der Reaktionszone keine wesentliche Verbesserung hinsichtlich der NOx-Niveaus.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung enthält eine Vormischeinrichtung für eine Turbine einen Hauptkörper, der einen Einlassabschnitt, einen Auslassabschnitt und eine Außenwand aufweist, die gemeinsam wenigstens ein einzelnes Fluidzufuhrplenum bilden, und mehrere Fluidzufuhrrohre, die sich durch wenigstens einen Abschnitt des wenigstens einen Fluidzufuhrplenums hindurch erstrecken. Jedes der mehreren Fluidzufuhrrohre enthält wenigstens eine Fluidzufuhröffnung, die mit wenigstens einem Fluidzufuhrplenum strömungsmäßig verbunden ist. Bei dieser Einrichtung wird ein erstes Fluid gezielt dem wenigstens einen Fluidzufuhrplenum zugeführt, durch die wenigstens eine Fluidzufuhröffnung hindurch geleitet und mit einem zweiten Fluid vermischt, das durch die mehreren Fluidzufuhrrohre strömt, bevor sie in einer Brennkammer einer Turbine verbrannt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Bildung eines brennbaren Gemisches in einer Mischeinrichtung, die einen Einlassabschnitt, einen Auslassabschnitt und eine Außenwand enthält, die gemeinsam wenigstens ein Fluidzufuhrplenum bilden, geschaffen. Das Verfahren enthält ein Einleiten eines ersten Fluids in das wenigstens eine Fluidzufuhrplenum und ein Zuführen eines zweiten Fluids durch mehrere Fluidzufuhrrohre, die sich durch das wenigstens eine Fluidzufuhrplenum hindurch erstrecken. Jedes der mehreren Fluidzufuhrrohre enthält einen Einlassendabschnitt, einen Auslassendabschnitt und einen Zwischenabschnitt. Das Verfahren enthält ferner ein Durchleiten des ersten Fluids durch eine Fluidzufuhröffnung, die in jedem der mehreren Fluidzufuhrrohre ausgebildet ist, ein Vermischen des ersten mit dem zweiten Fluid in den mehreren Fluidzufuhrrohren und ein Liefern des ersten und des zweiten Fluids von dem Auslassendabschnitt jedes der mehreren Fluidzufuhrrohre in eine Brennkammer hinein.
Gemäß einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung enthält eine Turbine wenigstens eine erste Fluidquelle, die ein erstes Fluid enthält, wenigstens eine zweite Fluidquelle, die ein zweites Fluid enthält, und eine Einrichtung zur Vermischung des wenigstens einen ersten Fluids und des wenigstens einen zweiten Fluids miteinander. Die Vorrichtung enthält einen Hauptkörper mit einem Einlassabschnitt, einem Auslassabschnitt und einer Außenwand, die gemeinsam wenigstens ein Fluidzufuhrplenum bilden, und mehrere Fluidzufuhrrohre, die sich durch das wenigstens eine Fluidzufuhrplenum hindurch erstrecken. Jedes der mehreren Fluidzufuhrrohre enthält einen ersten Endabschnitt, der an dem Einlassabschnitt des Hauptkörpers offen ist, einen zweiten Endabschnitt, der an dem Auslassabschnitt des Hauptkörpers offen ist, und einen Zwischenabschnitt sowie wenigstens eine Fluidzufuhröffnung, die mit dem wenigstens einen Fluidzufuhrplenum strömungsmäßig verbunden ist. Bei dieser Einrichtung wird das erste Fluid wahlweise dem wenigstens einen Fluidzufuhrplenum zugeführt, durch die wenigstens eine Fluidzufuhröffnung hindurchgeleitet und mit dem zweiten Fluid vermischt, das durch wenigstens einen Abschnitt der mehreren Fluidzufuhrrohre strömt, bevor sie in einer Brennkammer der Turbine verbrannt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht einer beispielhaften Gasturbine, die eine Vormischeinrichtung enthält, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist;
2 zeigt eine Seitenansicht einer Vormischeinrichtung nach 1;
3 zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht der Vormischeinrichtung nach 2;
4 zeigt eine im Querschnitt dargestellte Perspektivansicht eines Auslassabschnitts der Vormischeinrichtung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, die gerade Rohre anstelle abgewinkelter Rohre sowie eine alternative Brennstoffeinspeisung verwendet;
5 zeigt eine Draufsicht auf einen Auslassabschnitt einer Vormischeinrichtung, die gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist;
6 zeigt eine Draufsicht auf einen Auslassabschnitt einer Vormischeinrichtung, die gemäß einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist;
7 zeigt eine ausschnittsweise Draufsicht auf einen Auslassabschnitt einer Vormischeinrichtung, die gemäß einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist; und
8 zeigt eine Querschnittsansicht einer Vormischeinrichtung, die gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer beispielhaften Gasturbinenmaschine 2. Die Maschine 2 enthält einen Verdichter 4 und eine Brennkammeranordnung 8. Die Brennkammeranordnung 8 enthält eine Brennkammeranordnungswand 10, die wenigstens teilweise eine Brennkammer 12 definiert. Eine Vormischeinrichtung oder -düse 14 erstreckt sich durch die Brennkammeranordnungswand 10 hindurch und führt in die Brennkammer 12 hinein. Wie in größeren Einzelheiten nachstehend erläutert, empfängt die Düse 14 ein erstes Fluid oder Brennstoff durch einen Brennstoffeinlass 18 und ein zweites Fluid oder Druckluft von dem Verdichter 4. Der Brennstoff und die Druckluft werden miteinander vermischt, in die Brennkammer 12 eingeleitet und gezündet, um ein Verbrennungsprodukt oder einen Luftstrom hoher Temperatur und hohen Drucks zu erzeugen. Obwohl lediglich eine einzelne Brennkammeranordnung 8 in der beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht ist, kann die Maschine 2 mehrere Brennkammeranordnungen 8 enthalten. In jedem Fall enthält die Maschine 2 auch eine Turbine 30 und eine Verdichter/Turbinen-Welle 34 (manchmal als Rotor bezeichnet). Auf eine in der Technik bekannte Weise ist die Turbine 30 mit der Welle 34 gekoppelt und treibt die Welle 34 an, die wiederum den Verdichter 4 antreibt.
Im Betrieb strömt Luft in den Verdichter 4 hinein und wird zu einem Hochdruckgas komprimiert. Das Hochdruckgas wird zu der Brennkammeranordnung 8 geliefert und mit einem Brennstoff, beispielsweise einem Prozessgas und/oder synthetischen Gas (Synthesegas), in der Düse 14 vermischt. Das Brennstoff/Luft- oder brennbare Gemisch wird in die Brennkammer 12 eingeleitet und gezündet, um einen einen hohen Druck, hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsgasstrom zu bilden. Alternativ kann die Brennkammeranordnung 8 Brennstoffe verbrennen, die Erdgas und/oder Brennöl enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. In jedem Fall leitet die Brennkammeranordnung 8 den Verbrennungsgasstrom zu der Turbine 30, die Wärmeenergie in mechanische Drehenergie wandelt.
Es wird nun auf die 2–4 Bezug genommen, um die Düse 14 zu beschreiben, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist. Wie veranschaulicht, enthält die Düse 14 einen Hauptkörper 44, der eine Außenwand 45 aufweist, die einen Einlassabschnitt 46, der einen ersten Fluideinlass 48 enthält, und einen Auslassabschnitt 52 definiert, von dem das brennbare Gemisch in die Brennkammer 12 hinein strömt. Die Düse 14 enthält ferner mehrere Fluidzufuhr- oder -mischrohre, von denen eines bei 60 angezeigt ist und die sich zwischen dem Einlassabschnitt 46 und dem Auslassabschnitt 52 erstrecken, sowie mehrere Fluidzufuhrplenen bzw. -kammern 74, 76 und 78, die wahlweise ein erstes Fluid und/oder andere Stoffe zu den Zufuhrrohren 60 liefern, wie dies detaillierter nachstehend beschrieben ist. In der veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform definiert das Plenum 74 ein erstes Plenum, das nahe an dem Auslassabschnitt 52 angeordnet ist, während das Plenum 76 ein Zwischenplenum definiert, das zentral innerhalb der Düse 14 angeordnet ist, und das Plenum 78 ein drittes Plenum definiert, das nahe an dem Einlassabschnitt 46 angeordnet ist. Schließlich ist die Düse 14 veranschaulicht, wie sie einen Montageflansch 80 enthält. Der Montageflansch 80 wird zur Sicherung der Düse 14 an der Brennkammeranordnungswand 10 verwendet.
Das Rohr 60 stellt einen Durchgang zur Lieferung des zweiten Fluids und des brennbaren Gemisches in die Brennkammer 12 bereit. Es sollte verstanden werden, dass mehr als ein einzelner Durchgang pro Rohr bereitgestellt werden könnte, wobei jedes Rohr 60 in Abhängigkeit von den Betriebsanforderungen für die Maschine 2 unter einem von vielfältigen Winkeln ausgebildet ist (2 und 3). Natürlich kann das Rohr 60 auch ohne abgewinkelte Abschnitte ausgebildet sein, wie dies in 4 veranschaulicht ist. Wie nachstehend ersichtlich wird, ist jedes Rohr 60 konstruiert, um eine angemessene Vermischung zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid vor ihrer Einführung in die Brennkammer 12 sicherzustellen. Zu diesem Zweck enthält jedes Rohr 60 einen ersten oder Einlassendabschnitt 88, der an dem Einlassabschnitt 46 vorgesehen ist, einen zweiten oder Auslassendabschnitt 89, der an dem Auslassabschnitt 52 vorgesehen ist, und einen Zwischenabschnitt 90.
Gemäß der veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform enthält das Rohr 60 einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser, der auf der Grundlage einer Verbesserung der Leistung und Herstellbarkeit bemessen ist. Wie nachstehend in größeren Einzelheiten erläutert, könnte der Durchmesser des Rohrs 60 entlang einer Längserstreckung des Rohrs 60 variieren. Gemäß einem Beispiel ist das Rohr 60 mit einem Durchmesser von etwa 2,54 mm–22,23 mm oder größer ausgebildet. Das Rohr 60 enthält ferner eine Länge, die in etwa das zehnfache (10-fache) des Durchmessers beträgt. Natürlich kann die spezielle Beziehung zwischen dem Durchmesser und der Länge in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung, die für die Maschine 2 gewählt wird, variieren. In weiterer Übereinstimmung mit der veranschaulichten Ausführungsform enthält der Zwischenabschnitt 90, wie er in den 2 und 3 veranschaulicht ist, einen abgewinkelten Abschnitt 93, so dass sich der Einlassendabschnitt 88 entlang einer Achse erstreckt, die relativ zu dem Auslassendabschnitt 89 versetzt ist. Der winkelige Abschnitt 93 ermöglicht ein Vermischen des ersten und des zweiten Fluids miteinander durch Erzeugung einer Spiral- bzw. Strudelwirkung innerhalb des Rohrs 60. Zusätzlich zur Förderung der Vermischung erzeugt der abgewinkelte Abschnitt 93 auch Raum für die Plenen 74, 76 und 78. Natürlich könnte das Rohr 60 je nach Aufbau- und/oder Betriebsanforderungen ohne den winkeligen Abschnitt 93 ausgebildet sein, wie in 4 veranschaulicht, wobei der erste Fluideinlass 48 an Seitenabschnitten von diesem oder dergleichen angeordnet ist.
Gemäß der beispielhaften Ausführungsform, wie sie in den 1–4 veranschaulicht ist, enthält jedes Rohr 60 eine erste Fluidzufuhröffnung 103, die nahe an dem Auslassendabschnitt 89 angeordnet und mit dem ersten Plenum 74 strömungsmäßig verbunden ist, eine zweite Fluidzufuhröffnung 104, die an dem Zwischenabschnitt 90 angeordnet und mit dem zweiten Plenum 76 strömungsmäßig verbunden ist, und eine dritte Fluidzufuhröffnung 105, die deutlich von dem Einlassendabschnitt 88 beabstandet und stromaufwärts von der ersten und der zweiten Fluidzufuhröffnung 103 und 104 angeordnet ist. Die dritte Fluidzufuhröffnung 105 ist mit dem dritten Plenum 78 strömungsmäßig verbunden. Die Fluidzufuhröffnungen 103–105 könnten in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung, in der die Maschine 2 eingesetzt wird, unter vielfältigen Winkeln ausgebildet sein. Gemäß einem beispielhaften Aspekt der Erfindung wird ein flacher Winkel verwendet, um Brennstoff zu ermöglichen, die durch das Rohr 60 strömende Luft zu unterstützen, und jeden Druckverlust auf ein Minimum zu reduzieren. Zusätzlich minimiert ein flacher Winkel alle möglichen Störungen in dem Luftfluss, die durch einen Brennstofffilter verursacht werden. Gemäß einem weiteren beispielhaften Aspekt ist das Rohr 60 mit einem abnehmenden Durchmesser ausgebildet, der eine Region mit einer Strömung höherer Geschwindigkeit beispielsweise an der ersten Fluidzufuhröffnung 103 erzeugt, um die Flammenhaltegefahr zu reduzieren. Der Durchmesser nimmt dann stromabwärts zu, um eine Druckerholung bzw. -wiederherstellung zu erzielen. Bei dieser Einrichtung ermöglicht die erste Fluidzufuhröffnung 104 eine Mager-Direkteinspritzung des brennbaren Gemisches durch Aussparungen, während die zweite Fluidzufuhröffnung 103 die Einspritzung eines teilweise vorgemischten brennbaren Gemisches ermöglicht und die dritte Fluidzufuhröffnung 105 die Zufuhr eines vollständig vorgemischten brennbaren Gemisches zu der Brennkammer 12 ermöglicht.
Insbesondere ermöglicht die erste Fluidzufuhröffnung 103 die Einleitung des ersten Fluids oder Brennstoffs in das Rohr 60, das bereits einen Strom eines zweiten Fluids oder von Luft enthält. Die spezielle Lage der ersten Fluidzufuhröffnung 103 stellt sicher, dass sich das erste Fluid mit dem zweiten Fluid vermischt, gerade bevor es in die Verbrennungskammer 12 eintritt. Auf diese Weise bleiben der Brennstoff und die Luft im Wesentlichen unvermischt, bis sie in die Brennkammer eintreten. Die zweite Fluidzufuhröffnung 104 ermöglicht die Einleitung des ersten Fluids in das zweite Fluid an einer von dem Auslassendabschnitt 89 beabstandeten Stelle. Durch die Anordnung der zweiten Fluidzufuhröffnung 104 im Abstand zu dem Auslassendabschnitt 89 wird dem Brennstoff und der Luft ermöglicht, sich teilweise zu vermischen, bevor sie in die Brennkammer 12 eingeführt werden. Schließlich ist die dritte Fluidzufuhröffnung 105 in deutlichem Abstand zu dem Auslassendabschnitt 89 und vorzugsweise stromaufwärts von dem winkeligen Abschnitt 93 angeordnet, so dass sich das erste Fluid und das zweite Fluid im Wesentlichen vollständig miteinander vorvermischen, bevor sie in die Brennkammer 12 eingeleitet werden. Wenn der Brennstoff und die Luft entlang des Rohrs 60 strömen, erzeugt der abgewinkelte Abschnitt 93 eine Verwirbelungswirkung, die zu der Vermischung beiträgt. Zusätzlich zu der Ausbildung der Fluidzufuhröffnungen 103–105 unter vielfältigen Winkeln könnten auch Vorsprünge zu jedem Rohr 60 hinzugeführt werden, die das Fluid von den Rohrwänden weg leiten (nicht gesondert bezeichnet). Die Vorsprünge können unter dem gleichen Winkel wie die entsprechende Fluidzufuhröffnung 103–105 oder unter einem anderen Winkel ausgebildet sein, um einen Injektionswinkel des ankommenden Fluids anpassen zu können.
Bei dieser gesamten Einrichtung wird Brennstoff gezielt durch den ersten Fluideinlass 48 hindurch und in ein oder mehrere der Plenen 74, 76 und 78 hinein geliefert, damit er sich an unterschiedlichen Stellen entlang des Rohrs 60 mit Luft vermischt, um das Brennstoff/Luft-Gemisch anzupassen und Unterschiede hinsichtlich der Umgebungs- oder Betriebsbedingungen zu berücksichtigen. Dies bedeutet, dass ein vollständig vermischtes Brennstoff/Luft-Gemisch dazu neigt, im Vergleich zu einem teilweise oder unvermischten Brennstoff/Luft-Gemenge geringere NOx-Niveaus zu erzeugen. Jedoch sind unter Kaltstart- und/oder herabgesetzten Bedingungen fettere Gemische vorzuziehen. Somit ermöglichen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung vorteilhafterweise eine größere Kontrolle über Verbrennungsnebenprodukte durch gezielte Steuerung des Brennstoff/Luft-Gemisches zur Anpassung an verschiedene Betriebs- oder Umgebungsbedingungen der Maschine 2.
Zusätzlich zu der gezielten Einleitung von Brennstoff können andere Stoffe oder Verdünnungsmittel in das Brennstoff/Luft-Gemisch eingeführt werden, um die Verbrennungscharakteristika anzupassen. Das heißt, während Brennstoff gewöhnlich in das dritte Plenum 78 eingeführt wird, können Verdünnungsmittel beispielsweise in das zweite Plenum 76 eingeführt und mit dem Brennstoff sowie der Luft vermischt werden, bevor sie in die Brennkammer 12 eingeleitet werden. Ein weiterer Vorteil der obigen Einrichtung besteht darin, dass Brennstoff oder sonstige Stoffe in den Plenen 74, 76 und 78 das durch das Rohr 60 strömende Brennstoff/Luft-Gemisch abkühlen werden, wodurch die Flamme gelöscht wird, und somit ein besseres Flammenhalteverhalten ergeben. In jedem Fall sollte es verständlich sein, dass, während es offensichtliche Vorteile von mehr fachen Plenen und Zufuhröffnungen gibt, die Düse 14 mit einer einzelnen Fluidzufuhröffnung ausgebildet sein könnte, die mit einem einzelnen Brennstoffplenum strömungsmäßig verbunden sein könnte, das strategisch positioniert ist, um eine effiziente Verbrennung zu ermöglichen, um für verschiedene Anwendungen für die Maschine 2 passend zu sein. Außerdem könnte die Düse 14 in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern, Umgebungsbedingungen und Verbrennungszielen der Maschine 2 mit jeder beliebigen sonstigen Anzahl von Öffnungen/Plenen versehen sein.
5–8 veranschaulichen verschiedene Rohrkonfigurationen für Vormischdüsen, die gemäß anderen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung konstruiert sind. Das heißt, es sollte verständlich sein, dass die in den 5–8 veranschaulichten Düsen bis auf die verschiedenen offenbarten Aspekte eine der Düse 14 ähnliche Struktur enthalten. Jedenfalls wird nun zur Beschreibung einer Düse 140, die gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist, auf 5 Bezug genommen. Die Düse 140 enthält einen Hauptkörper 142 mit einer Außenwand 144, die ein (nicht veranschaulichtes) Fluidplenum bildet. Die Düse 140 enthält einen Auslassabschnitt 146 und mehrere Rohre, von denen eines bei 148 angezeigt ist. In der veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform weist das Rohr 148 einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Diese spezielle Konfiguration ermöglicht eine engere Aneinanderpackung der Rohre 148 innerhalb der Düse 140. Dies bedeutet, dass Rohre mit einem rechteckigen Querschnitt in enger Nähe zueinander platziert werden können. Im Gegensatz hierzu bleiben bei einer Platzierung von Fluidzufuhrrohren, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, in enger Nähe zueinander, wie beispielsweise durch „enge Packung”, einzelne Zwischenräume, die verhindern, dass die Fluidzufuhrrohre enger zusammengebracht werden können.
Es wird nun auf 6 Bezug genommen, um eine Düse 240 zu beschreiben, die gemäß einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist. Die Düse 240 enthält einen Hauptkörper 242, der eine Außenwand 244 aufweist, die ein (nicht veranschaulichtes) Fluidplenum festlegt. Die Düse 240 enthält einen Auslassabschnitt 246 und mehrere Rohre, von denen eines bei 248 angezeigt ist. In der veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform weist das Rohr 248 einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, der durch mehrere dünne Wandabschnitte 260–263 in mehrere innere Kanäle 250–254 aufgeteilt ist. Die dünnen Wandabschnitte 260–263 sind in einer Ausführungsform aus dünnen Folien ausgebildet, wie sie beispielsweise in einem Wärmetauschermaterial eingesetzt werden. Natürlich könnten auch andere geeignete Materialien eingesetzt werden. Auf diese Weise können leicht mehrere Rohre gebildet werden, wobei alle Rohre verschiedene innere Konturen, wie beispielsweise Riffelungen, zur Förderung der Vermischung aufweisen.
7 veranschaulicht eine Düse 340, die gemäß einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist. Die Düse 340 enthält einen Hauptkörper 342 mit einer Außenwand 344, die ein (nicht veranschaulichtes) Fluidplenum bildet. Die Düse 340 enthält einen Auslassabschnitt 346 und mehrere Rohre, von denen eines bei 348 angezeigt ist. In der veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform weist das Rohr 348 einen im Wesentlichen ovalen Querschnitt auf, der durch ein serpentinenförmiges Wandelement 360 in mehrere innere Kanäle 350–355 aufgeteilt ist. Bei dieser Einrichtung enthält jeder Kanal 350–355 eine Fluidzufuhröffnung, von denen eine bei 370 in dem Kanal 350 angezeigt ist. Die Serpentinenwand 360 fördert die Vermischung von Brennstoff und Luft, die durch die Kanäle 350–355 strömen.
8 veranschaulicht eine Düse 440, die gemäß einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist. Die Düse 440 enthält einen Hauptkörper 442, der eine Außenwand 444 aufweist, die ein (nicht veranschaulichtes) Fluidplenum bildet. Die Düse 440 enthält einen Auslassabschnitt 446 und mehrere Rohre, von denen eines bei 448 angezeigt ist. In der veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform enthält jedes Zufuhrrohr 448 einen spiralförmigen Abschnitt 450. In dieser Konfiguration ist eine (nicht gesondert bezeichnete) Fluidzufuhröffnung stromaufwärts von jedem Spiralabschnitt 450 vorgesehen. Auf diese Weise hilft der spiralförmige Abschnitt 450 bei der vollständigen Vermischung von Luft und Brennstoff, die beispielsweise durch das Rohr 448 strömen.
An dieser Stelle sollte es verständlich sein, dass die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezielt verschiedene Stufen der Vermischung zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid, z. B. Brennstoff und Luft, ermöglichen, um sicherzustellen, dass die NOx-Niveaus innerhalb staatlich vorgeschriebener Grenzwerte bleiben, während gleichzeitig viele der mit anderen Mischeinrichtungen verbundenen Nachteile, wie beispielsweise Selbstentzündung, Flammenrückschlag und/oder Flammenhalten, sowie hohe lokale Flammentemperaturen vermieden werden.
Allgemein verwendet diese Beschreibung Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, zu beschreiben und auch einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen, wodurch auch eine Herstellung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und eine Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentfähige Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Rahmen der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente haben, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.

2: Gasturbine(nmaschine)
4: Verdichter
8: Brennkammeranordnung
10: Brennkammeranordnungswand
12: Brennkammer
14: Düse
18: Brennstoffeinlass
30: Turbine
34: Verdichter/Turbinen-Welle
44: Hauptkörper (14)
45: Außenwand (14)
46: Einlassabschnitt (14)
48: Erster Fluideinlass
52: Auslassabschnitt
60: Fluidzufuhr-/-mischrohre
74: Fluidzufuhrplenum
76: Fluidzufuhrplenum
78: Fluidzufuhrplenum
80: Montageflansch (14)
88: Einlassendabschnitt (60)
89: Auslassendabschnitt (60)
90: Zwischenabschnitt
93: Abgewinkelter Abschnitt (90)
103: Erste Fluidzufuhröffnung
104: Zweite Fluidzufuhröffnung
105: Dritte Fluidzufuhröffnung
140: Düse (5)
142: Hauptkörper (140)
144: Außenwand (140)
146: Auslassabschnitt (140)
148: Rohre
240: Düse
242: Hauptkörper (240)
244: Außenwand (240)
246: Auslassabschnitt (240)
248: Rohre
250–254: Innere Kanäle, Durchgänge
260–263: Dünne Wandabschnitte
340: Düse
342: Hauptkörper (340)
344: Außenwand
346: Auslassabschnitt
348: Rohre
350–355: Innere Kanäle, Durchgänge (348)
360: Serpentinenförmiges Wandelement
370: Fluidzufuhröffnung
440: Düse
442: Hauptkörper (440)
444: Außenwand
446: Auslassabschnitt
448: Rohre
450: Spiralförmiger Abschnitt

Claims

Vormischeinrichtung (14) für eine Turbine (2), wobei die Vormischeinrichtung aufweist: einen Hauptkörper (44) mit einem Einlassabschnitt (46), einem Auslassabschnitt (52) und einer Außenwand (45), die gemeinsam wenigstens ein Fluidzufuhrplenum (74, 76, 78) bilden; und mehrere Fluidzufuhrrohre (60), die sich durch wenigstens einen Abschnitt des wenigstens einen Fluidzufuhrplenums (74, 76, 78) hindurch erstrecken, wobei jedes der mehreren Fluidzufuhrrohre (60) wenigstens eine Fluidzufuhröffnung (103, 104, 105) enthält, die mit dem wenigstens einen Fluidzufuhrplenum (74, 76, 78) strömungsmäßig verbunden ist, wobei ein erstes Fluid gezielt zu dem wenigstens einen Fluidzufuhrplenum (74, 76, 78) geliefert, durch die wenigstens eine Fluidzufuhröffnung (103, 104, 105) hindurch geleitet und mit einem zweiten Fluid vermischt wird, das durch die mehreren Fluidzufuhrrohre (66) strömt, bevor diese in einer Brennkammer (12) einer Turbine verbrannt werden.
Vormischeinrichtung (14) nach Anspruch 1, wobei jedes der mehreren Fluidzufuhrrohre (60) einen Einlassendabschnitt (88), der an dem Einlassabschnitt (46) des Hauptkörpers (44) offen ist, einen Auslassendabschnitt (89), der an dem Auslassabschnitt (52) des Hauptkörpers (44) offen ist, und einen Zwischenabschnitt (90) enthält, wobei die wenigstens eine Fluidzufuhröffnung (103, 104, 105) in der Nähe des Auslassendabschnitts (89) angeordnet ist, um eine Mager-Direkteinspritzungs-Öffnung zu definieren.
Vormischeinrichtung (14) nach Anspruch 1, wobei jedes der mehreren Fluidzufuhrrohre (60) einen Auslassendabschnitt (89), der an dem Auslassabschnitt (52) des Hauptkörpers (44) offen ist, einen Einlassendabschnitt (88), der an dem Einlassabschnitt (46) des Hauptkörpers (44) offen ist, und einen Zwischenabschnitt (90) enthält, wobei die wenigstens eine Fluidzufuhröffnung (103, 104, 105) von dem Einlassendabschnitt (88) geringfügig beabstandet angeordnet ist, um eine Direkteinspritzöffnung für teilweise vorgemischten mageren Brennstoff zu definieren.
Vormischeinrichtung (14) nach Anspruch 1, wobei jedes der mehreren Fluidzufuhrrohre (60) einen Auslassendabschnitt (89), der an dem Auslassabschnitt (52) des Hauptkörpers (44) offen ist, einen Einlassendabschnitt (88), der an dem Einlassabschnitt (46) des Hauptkörpers (44) offen ist, und einen Zwischenabschnitt (90) enthält, wobei die wenigstens eine Fluidzufuhröffnung (103, 104, 105) von dem Einlassendabschnitt (88) deutlich beabstandet ist, um eine Öffnung für vollständig vorgemischten Brennstoff zu definieren.
Vormischeinrichtung (14) nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Fluidzufuhrplenum (74, 76, 78) mehrere Fluidzufuhrplenen (74, 76, 78) bildet, die ein erstes Plenum (74), ein zweites Plenum (76) und ein drittes Plenum (78) enthalten.
Vormischeinrichtung (14) nach Anspruch 5, wobei die wenigstens eine Fluidzufuhröffnung (103, 104, 105) in jedem der mehreren Fluidzufuhrrohre (60) mehrere Fluidzufuhröffnungen (103, 104, 105) bildet, die eine erste Fluidzufuhröffnung (103), die mit dem ersten Brennstoffplenum (74) strömungsmäßig verbunden ist, eine zweite Fluidzufuhröffnung (104), die mit dem zweiten Plenum (76) strömungsmäßig verbunden ist, und eine dritte Fluidzufuhröffnung (105) enthalten, die mit dem dritten Plenum (78) strömungsmäßig verbunden ist.
Vormischeinrichtung (14) nach Anspruch 6, wobei jedes der mehreren Fluidzufuhrrohre (60) einen Einlassendabschnitt (88) enthält, wobei die erste Fluidzufuhröffnung (103) nahe an dem Einlassendabschnitt (88) angeordnet ist.
Vormischeinrichtung (14) nach Anspruch 7, wobei jedes der mehreren Fluidzufuhrrohre (60) einen Einlassendabschnitt (88) enthält, wobei die dritte Fluidzufuhröffnung (105) in deutlichem Abstand zu dem Einlassendabschnitt (88) angeordnet ist.
Vormischeinrichtung (14) nach Anspruch 8, wobei die zweite Fluidzufuhröffnung (104) zwischen der ersten und der dritten Fluidzufuhröffnung (103, 105) angeordnet ist.
Vormischeinrichtung (14) nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines der mehreren Fluidzufuhrrohre (60) einen abgewinkelten Abschnitt (93) enthält.