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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf industrielle Hochleistungs-Gasturbinen
und im Besonderen auf einen Brenner für eine industrielle
Gasturbine mit einem Brennstoff/Luft-Vormischer, der Mischungen
von mehreren Gasströmen für erwünschte Leistungsfähigkeit
ermöglicht, wie Brennstoffvermischen für Emissionen,
Flammenhalte-Robustheit und Regelung von Verbrennungs-Oszillationen.
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Gasturbinen-Hersteller
sind derzeit in Forschungs- und Entwicklungsprogrammen zum Herstellen
neuer Gasturbinen involviert, die bei hoher Effizienz arbeiten,
ohne unerwünschte Luft verunreinigende Emissionen zu erzeugen.
Die primären Luft verunreinigenden Emissionen, die üblicherweise durch
Gasturbinen erzeugt werden, die konventionelle Kohlenwasserstoff-Brennstoffe
verbrennen, sind Oxide von Stickstoff, Kohlenmonoxid und unverbrannte
Kohlenwasserstoffe. Es ist im Stande der Technik bekannt, dass die
Oxidation molekularen Stickstoffes in Luft verbrauchenden Triebwerken stark
vom Maximum der Temperatur des heißen Gases in der Brennersystem-Reaktionszone
abhängig ist. Die Rate chemischer Reaktionen, die Oxide
von Stickstoff (NOx) bilden, ist eine exponentielle
Funktion der Temperatur. Wird die Temperatur des heißen Gases
der Brennkammer auf ein genügend geringes Niveau geregelt,
dann wird thermisches NOx nicht erzeugt.
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Ein
bevorzugtes Verfahren zum Regeln der Temperatur der Reaktionszone
eines Wärmetriebwerkbrenners unter das Niveau, bei dem
thermisches NOx gebildet wird, besteht darin,
Brennstoff und Luft vor der Verbrennung zu einer mageren Mischung
zu vermischen. Die thermische Masse der in der Reaktionszone eines
Brenners mit magerer Vormischung vorhandenen Luft absorbiert Wärme
und verringert den Temperaturanstieg der Verbrennungsprodukte auf
ein Niveau, bei dem thermisches NOx nicht
gebildet wird.
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Mit
Trockenbrennern geringer Emissionen, die mit dem mageren Vorgemisch
von Brennstoff und Luft betrieben werden, sind verschiedene Probleme verbunden.
Das heißt, entflammbare Mischungen von Brennstoff und Luft
existieren innerhalb des Vormischabschnittes des Brenners, der außerhalb
der Reaktionszone des Brenners liegt. Aufgrund eines Flammenrückschlags
gibt es eine Neigung, dass im Vormischabschnitt eine Verbrennung
stattfindet, wobei der Flammenrückschlag auftritt, wenn
die Flamme aus der Brenner-Reaktionszone in den Vormischabschnitt
vordringt oder eine Selbstzündung stattfindet, die auftritt,
wenn die Aufenthaltszeit und Temperatur der Brennstoff/Luft-Mischung
in dem Vormischabschnitt ausreichen, sodass ohne einen Zünder eine
Verbrennung eingeleitet wird. Die Folgen der Verbrennung im Vormischabschnitt
sind eine Verschlechterung der Emissions-Leistungsfähigkeit und/oder
ein Überhitzen und Beschädigen des Vormischabschnittes,
der typischerweise nicht vorgesehen ist der Verbrennungswärme
zu widerstehen. Ein zu lösendes Problem ist daher, einen
Flammenrückschlag oder eine Selbstzündung zu verhindern,
die zu einer Verbrennung innerhalb des Vormischers führen.
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Zusätzlich
muss die Mischung aus Brennstoff und Luft, die aus dem Vormischer
austritt und in die Reaktionszone des Brenners eintritt, sehr gleichmäßig
sein, um die erwünsch te Emissions-Leistungsfähigkeit
zu erzielen. Wenn Regionen in dem Strömungsfeld existieren,
in denen die Brennstoff/Luft-Mischungsstärke signifikant
reicher ist als im Mittel, dann erreichen der Verbrennungsprodukte in
diesen Regionen eine höhere Temperatur als im Mittel und
es wird thermisches NOx gebildet. Dies kann
dazu führen, dass in Abhängigkeit von der Kombination
von Temperatur und Aufenthaltszeit die vorgesehenen NOx-Emissionsziele
nicht erreicht werden. Existieren Regionen in dem Strömungsfeld,
in denen die Brennstoff/Luft-Mischungsstärke signifikant
magerer ist als im Mittel, dann kann ein Auslöschen auftreten,
wobei Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxid nicht zu Gleichgewichtsniveaus
oxidiert werden. Dies kann zu einem Versagen führen, die
Ziele der Kohlenmonoxid (CO)- und/oder unverbrannten Kohlenwasserstoff
(UHC)-Emissionen zu erreichen. Ein anderes noch zu lösendes
Problem ist es, eine Brennstoff/Luft-Mischungsstärkenverteilung zu
erzeugen, die den Vormischer verlässt, die genügend
gleichmäßig ist, um die Ziele der Emissions-Leistungsfähigkeit
zu erzielen.
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Um
die Ziele der Emissions-Leistungsfähigkeit zu erzielen,
die der Gasturbine bei vielen Anwendungen auferlegt sind, ist es
erforderlich, die Brennstoff/Luft-Mischungsstärke bis zu
einem Niveau zu verringern, das nahe der mageren Entflammbarkeitsgrenze
für die meisten Kohlenwasserstoff-Brennstoffe liegt. Dies
führt zu einer Verringerung der Flammen-Ausbreitungsgeschwindigkeit
ebenso wie der Emissionen. Als eine Folge neigen Brenner mit magerer
Vormischung zu geringerer Stabilität als konventionellere
Diffusionsflammen-Brenner und es resultiert häufig eine
durch Verbrennung bei hohem Niveau angetriebene dynamische Druckaktivität.
Diese dynamische Druckaktivität bei hohem Niveau kann nachteilige
Folgen haben, wie Brenner- und Turbinenbeschädigung aufgrund
von Abrieb oder Ermüdung, Flammenrückschlag oder
Ausblasen. Ein weiteres zu lösendes Problem ist daher die
Regelung der verbrennungsgetriebenen dynamischen Druckaktivität
auf ein akzeptabel geringes Niveau.
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Brennstoffinjektoren
mit magerer Vormischung zur Emissionsverminderung sind in der Industrie üblich
und wurden in industriellen Hochleistungs-Gasturbinen für
mehr als zwei Dekaden eingesetzt. Ein repräsentatives Beispiel
einer solchen Vorrichtung ist in der
US-PS
Nr. 5,259,184 beschrieben, die auf die General Electric
Company übertragen ist. Solche Vorrichtungen haben einen
großen Fortschritt auf dem Gebiet der Abgas-Emissionsverringerung von
Gasturbinen erzielt. Die Verringerung von Emissionen von Oxiden
des Stickstoffs, NO
x, um eine Größenordnung
oder mehr mit Bezug auf die Diffusionsflammenbrenner des Standes
der Technik wurden ohne Verdünnungsmittel-Injektion, wie
Dampf oder Wasser, erzielt.
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Diese
Gewinne in der Emissions-Leistungsfähigkeit wurden jedoch
auf Kosten mehrerer Probleme erzielt. Im Besonderen resultieren
Flammenrückschlag und Flammenhalten innerhalb des Vormischungsabschnittes
der Vorrichtung in einer Verschlechterung der Emissions-Leistungsfähigkeit und/oder
der Vorrichtungs-Beschädigung aufgrund von Überhitzen.
Zusätzlich resultieren erhöhte Niveaus der verbrennungsgetriebenen
dynamischen Druckaktivität in einer Reduktion brauchbarer
Lebensdauer von Brennersystemteilen und/oder anderen Teilen der
Gasturbine aufgrund von Abrieb oder Langzeitermüdung. Weiter
wird die Betriebskomplexität von Gasturbinen erhöht
und/oder Betriebsbeschränkungen der Gasturbine sind erforderlich,
um Zustände zu vermeiden, die zu einer dynamischen Druckaktivität
hohen Niveaus, Flammenrückschlag oder Ausblasen führen.
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Zusätzlich
zu diesen Problemen haben konventionelle Brenner mit magerer Vormischung
keine maximalen Emissions- Verringerungen erzielt, die mit einem
perfekten, gleichmäßigen Vormischen von Brennstoff
und Luft möglich sind.
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Ein
Beispiel eines Verfahrens zum Verringern der Amplitude der verbrennungsgetriebenen
dynamischen Druckaktivität in mager vorvermischten Trockenbrennern
geringer Emissionen findet sich in der
US-PS 5,211,004 , die auf die General
Electric Company übertragen ist. Eine Verbesserung, die
auf den Prinzipien dieses Standes der Technik aufbaut, ist in der
US-PS 6,438,961 beschrieben,
die ebenfalls auf die General Electric Company übertragen
ist. Diese PS beschreibt das Regeln sowohl des radialen Brennstoff/Luft-Profils
als auch des Brennstoff-Injektionsdruckabfalles, um die Verstärkung
zu minimieren oder zu beseitigen, die sich aus dem schwachen Grenzoszillationszyklus
ergibt. Die Patentschrift beschreibt auch einzigartige Merkmale
des Vormischers, die verursachen, dass er Leistungsverbesserungen
mit Bezug auf den Stand der Technik in allen obigen Problembereichen
erzielt. Das System erzielt eine Leistungsfähigkeit der
Abgasemissionen der Gasturbine, die gegenüber der Leistungsfähigkeit von
mager vorvermischten Trockenbrennern geringer Emissionen nach dem
Stande der Technik hervorragend ist bei erhöhten Brenntemperaturen
der fortgeschrittensten industriellen Hochleistungs-Gasturbinen.
Im Besonderen werden die Emissionen von Oxiden des Stickstoffs (NO
x) minimiert, ohne Kohlenmonoxid (CO)- oder
unverbrannte Kohlenwasserstoff (UHC)-Emissionen zu beeinträchtigen.
Zusätzlich verbessert die PS die Beständigkeit
gegen Flammenrückschlag und Flammenhalten innerhalb des
Vormischers mit Bezug auf mager vorvermischte Trockenbrenner geringer
Emissionen nach dem Stande der Technik für industrielle
Hochleistungs-Gasturbinenanwendung. Weiter verringert die PS das
Niveau der verbrennungsgetriebenen dynamischen Druckaktivität
und erhöht die Grenze des mageren Ausblasens über
den gesamten Betriebsbereich der Gasturbine mit Bezug auf mager
vorvermischte Tro ckenbrenner geringer Emissionen der derzeitigen
Technologie für industrielle Hochleistungs-Gasturbinen.
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Es
wäre erwünscht, die Anzahl der Brennstoff-Einlässe/Durchgänge
in dem bekannten System zu erhöhen, um das Eintreten mehrerer
Gasströme in den Vormischdurchgang für erwünschte
Leistungsfähigkeit zu gestatten. Hinzugefügte
Brennstoffeinlässe gestatten auch große Wobbe-Index-Variationen
innerhalb einer fixierten Düsengeometrie.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Brennstoff/Luft-Vormischer
für den Einsatz in einem Brenner in einem Brennersystem
einer Gasturbine vorgesehen. Der Brennstoff/Luft-Vormischer schließt
einen Lufteinlass, mindestens zwei Brennstoffeinlässe,
entsprechende mindestens zwei Brennstoffquellen, die mit den mindestens
zwei Brennstoffeinlässen gekoppelt sind, und einen ringförmigen
Mischdurchgang ein. Der Brennstoff/Luft-Vormischer vermischt Brennstoff
und Luft in dem ringförmigen Mischdurchgang zur Injektion
in eine Brenner Reaktionszone. Eine Dralldüsen-Baueinheit
ist stromabwärts des Lufteinlasses angeordnet. Die Dralldüsen-Baueinheit
kann eine Vielzahl sich drehender Schaufeln einschließen,
die positioniert sind, der hereinkommenden Luft einen Drall zu erteilen.
Jede der sich drehenden Schaufeln schließt einen internen
Brennstoff-Strömungsdurchgang ein, der in Verbindung steht
mit mindestens einem der Brennstoffeinlässe. Zumindest
einige der Brennstoffeinlässe und der Brennstoffquellen
sind regelbar, um ein Brennstoff-Vermengen zu bewirken und innerhalb einer
festgelegten Geometrie Wobbe-Index-Variationen zu bewirken.
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In
einer anderen beispielhaften Ausführungsform schließt
ein Brennstoff/Luft-Vormischer zum Einsatz in einem Brenner in einem
Brennersystem einer Gasturbine einen Lufteinlass, eine festgelegte
Düsengeometrie und einen ringförmigen Mischdurchgang
ein, wobei der Brennstoff/Luft-Vormischer Brennstoff und Luft in
dem ringförmigen Mischdurchgang zur Injektion in eine Brenner-Reaktionszone mischt.
Mehrere Brennstoffquellen sind mit der festgelegten Düsengeometrie
verbunden und mindestens einige der Brennstoffquellen arbeiten mit
der festgelegten Düsengeometrie zum Bewirken mehrfacher
Brennstoffströmungs-Variationen zusammen, die Variationen
in der Brennstoffart, Brennstoffmischung, Volumenströmung
und Druckverhältnissen einschließen.
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In
noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform schließt
ein Verfahren zum Vorvermischen von Brennstoff und Luft in einem
Brenner in einem Brennersystem einer Gasturbine die Stufen ein (a) Strömenlassen
mehrerer Brennstoffströme in den ringförmigen
Mischdurchgang durch die Brennstoffeinlässe; (b) Regeln
des Brennstoff-Vermengens und der Brennstoffmischung hinsichtlich
erwünschter Leistungsfähigkeit und (c) Regeln
von Volumenströmung und Druckverhältnissen von
mindestens einigen der Brennstoffströme, um Wobbe-Index-Variationen
innerhalb einer festgelegten Geometrie anzupassen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine Querschnittsansicht durch einen konventionellen Brenner;
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2 veranschaulicht
die Luftverwirbeler- oder Dralldüsen-Baueinheit eines Vormischers
gemäß dem konventionellen Brenner;
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3 ist
eine Anschlussansicht der sich drehenden Schaufeln der Dralldüsen-Baueinheit,
die in 2 veranschaulicht ist, und
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4 ist
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
mit mehreren Brennstoffdurchgängen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 ist
eine Querschnittsansicht durch den in
US-PS
6,438,961 beschriebenen Brenner und
2 und
3 zeigen
Einzelheiten der Drall-Baueinheit mit Brennstoffinjektion durch
die sich drehenden Schaufeln oder Verwirbeler. In der Praxis würde eine
Luft-zerstäubende Flüssigkeitsbrennstoff-Düse im
Zentrum der Brenner-Baueinheit installiert werden, um duale Brennstofffähigkeit
zu schaffen; diese Flüssigbrennstoff-Düsenbaueinheit
bildet jedoch nicht Teil der Erfindung und wurde der Klarheit halber aus
den Darstellungen weggelassen. Die Brennerbaueinheit ist der Funktion
nach in vier Regionen unterteilt, einschließlich einem
Einlassströmungs-Konditionierer
1, einer Drall-Baueinheit
mit Erdgasbrennstoff-Injektion (als Dralldüsen-Baueinheit
bezeichnet)
2, einem ringförmigen Brennstoff/Luft-Mischungsdurchgang
3 und
einer zentralen Diffusionsflammen-Erdgasbrennstoff-Düsenbaueinheit
4.
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Luft
tritt aus einem Hochdruckraum 6, der die gesamte Baueinheit
mit Ausnahme des Ausgangsendes umgibt, das in die Brenner-Reaktionszone 5 eintritt,
ein. Der größte Teil der Luft zur Verbrennung
tritt über den Einlassströmungs-Konditionierer
(IFC) 1 in den Vormischer ein. Der IFC schließt
einen ringförmigen Strömungsdurchgang 15 ein,
der durch eine feste zylindrische innere Wand 13 am Innenseiten-Durchmesser,
eine perforierte zylindrische Außenwand 12 am
Außenseiten-Durchmesser und eine perforierte Endkappe 11 am
stromaufwärts gelegenen Ende begrenzt ist. Im Zentrum des
Strömungsdurchgangs 15 befinden sich ein oder
mehrere sich ringförmig drehende Schaufeln 14.
Vormischerluft tritt über die Perforationen in der Endkappe
und der zylindrischen äußeren Wand in den IFC 1 ein.
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Die
Funktion des IFC 1 ist es, die Luftströmungs-Geschwindigkeitsverteilung
zum Eintritt in den Vorvermischer vorzubereiten. Das Prinzip des IFC 1 beruht
auf dem Konzept des die Vormischluft vor dem Eintritt in den Vormischer
unter Gegendruck zu setzen. Dies gestattet eine bessere winkelförmige Verteilung
der Vormisch-Luftströmung. Die perforierten Wandungen 11, 12 üben
die Funktion des unter Gegendrucksetzens des Systems und gleichmäßig umfangsmäßigen
Verteilens der Strömung um den IFC-Ring 15 herum
aus, während die sich drehende(n) Schaufel(n) 14 in
Verbindung mit den perforierten Wandungen zur Erzeugung der richtigen
radialen Verteilung der eintretenden Luft in den IFC-Ring 15 arbeitet(n).
In Abhängigkeit von der erwünschten Strömungsverteilung
innerhalb des Vormischers ebenso wie der Strömungsaufspaltungen
zwischen einzelnen Vormischern für einen Mehrfachbrennkammer-Brenner
sind geeignete Lochmuster für die perforierten Wandungen
in Verbindung mit der axialen Position des (der) sich drehenden
Schaufel(n) 14 ausgewählt. Ein dynamischer Strömungsmittel-Computercode
wird benutzt, um die Strömungsverteilung zu errechnen,
um ein geeignetes Lochmuster für die perforierten Wandungen
zu bestimmen. Ein geeignetes Computerprogramm für diesen
Zweck hat den Titel STAR CD von Adapco, Long Island, N. Y.
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Um
Regionen geringer Geschwindigkeit nahe der Umhüllungswand 202 am
Einlass zu der Dralldüse 2 zu beseitigen, wird
ein glockenmundförmiger Übergang 26 zwischen
dem IFC und der Dralldüse benutzt.
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Erfahrung
mit trockenen Mehrbrennkammer-Brennersystemen geringer Emissionen
in industriellen Hochleistungs-Gasturbinenanwendungen hat gezeigt,
dass in dem Raum 6 eine ungleichmäßige Luftströmungsverteilung
existiert, der die Brennkammern umgibt. Dies kann zur ungleichmäßigen
Luftströmungs verteilung zwischen Brennkammern oder einer
wesentlichen Luftströmungs-Fehlverteilung innerhalb des
Vormischerringes führen. Das Resultat dieser Luftströmungs-Fehlverteilung
ist eine Brennstoff/Mischungsstärken-Fehlverteilung, die
in die Reaktionszone der Brennkammer eintritt, die wiederum in einer
Verschlechterung der Emissions-Leistungsfähigkeit resultiert.
Zu dem Ausmaß, zu dem der IFC 1 die Gleichmäßigkeit
der Luftströmungsverteilung zwischen Brennkammern und innerhalb
des Vormischerringes einzelner Brennkammern verbessert; verbessert
er auch die Emissions-Leistungsfähigkeit des gesamten Brennersystems
und der Gasturbine.
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Nach
der Verbrennung tritt Luft aus dem IFC 1 aus und in die
Dralldüsen-Baueinheit 2 ein. Die Dralldüsen-Baueinheit
schließt eine Nabe 201 und einen Umhüllungsring 202 ein,
die durch eine Reihe von flügelförmigen, sich
drehenden Schaufeln 23 verbunden sind, die der Verbrennungsluft,
die durch den Vormischer hindurchgeht, einen Drall verleiht. Jede
sich drehende Schaufel 23 enthält einen primären
Erdgasbrennstoff-Zufuhrdurchgang 21 und einen sekundären
Erdgasbrennstoff-Zufuhrdurchgang 22 durch den Kern des
Flügels. Diese Brennstoffdurchgänge verteilen
Erdgasbrennstoff an primäre Gasbrennstoff-Injektionslöcher 24 und
sekundäre Gasbrennstoff-Injektionslöcher 25,
die die Wandung des Flügels durchdringen. Diese Brennstoff-Injektionslöcher
können auf der Druckseite, der Saugseite oder beiden Seiten
der sich drehenden Schaufeln 23 angeordnet sein. Erdgasbrennstoff
tritt in die Dralldüsen-Baueinheit 2 durch Einlassöffnungen 29 und ringförmige
Durchgänge 27, 28 ein, die die primären bzw.
sekundären Durchgänge der sich drehenden Schaufeln
versorgen. Der Erdgasbrennstoff beginnt sich mit Verbrennungsluft
in der Dralldüsen-Baueinheit zu vermischen und die Brennstoff/Luft-Vermischung
ist im rohrförmigen Durchgang 3 abgeschlossen,
der durch eine Dralldüsen-Nabenausdehnung 31 und
eine Dralldüsen-Umhüllungsringausdeh nung 32 gebildet
wird. Nach dem Austreten aus dem ringförmigen Durchgang 3 tritt
die Brennstoff/Luft-Mischung in die Brenner-Reaktionszone 5 ein,
in der die Verbrennung stattfindet.
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Da
die Dralldüsen-Baueinheit 2 Erdgasbrennstoff durch
die Oberfläche der sich aerodynamisch drehenden Schaufeln
(Flügel) 23 injiziert, ist die Störung
des Luftströmungsfeldes minimiert. Der Gebrauch dieser
Geometrie erzeugt keine Regionen der Strömungsstagnation
oder Strömungstrennung/rezirkulation im Vormischer nach
der Brennstoffinjektion in den Luftstrom. Sekundäre Strömungen sind
auch mit dieser Geometrie mit dem Resultat minimiert, dass die Regelung
des Brennstoff/Luft-Vermischens und des Mischungsverteilungs-Profils
erleichtert wird. Das Strömungsfeld bleibt aerodynamisch
sauber von der Region der Brennstoffinjektion bis zum Vormischerauslass
in die Brenner-Reaktionszone 5. In der Reaktionszone verursacht
die durch die Dralldüse 2 induzierte Verwirbelung
einen zentralen Wirbel, der sich mit Strömungsrezirkulation bildet.
Dies stabilisiert die Flammenfront in der Reaktionszone 5.
Solange die Geschwindigkeit in dem Vormischer oberhalb der turbulenten
Flammenausbreitungs-Geschwindigkeit bleibt, wird sich die Flamme
nicht in den Vormischer (Flammenrückschlag) ausbreiten
und, ohne Strömungstrennung oder -rezirkulation im Vormischer,
wird sich die Flamme im Falle eines Übergangszustandes,
der eine Strömungsumkehr verursacht, nicht im Vormischer
verankern. Die Fähigkeit der Dralldüse 2,
einem Flammenrückschlag und Flammenhalten zu widerstehen, ist
außerordentlich wichtig für die Anwendung, da
das Auftreten dieser Erscheinungen verursachen würde, dass
sich der Vormischer mit nachfolgender Beschädigung überhitzt.
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2 und 3 zeigen
Einzelheiten der Dralldüsen-Geometrie. Wie bemerkt, gibt
es zwei Gruppen von Erdgasbrennstoff-Injektionslöchern
auf der Oberfläche jeder sich drehen den Schaufel 23,
die die primären Brennstoff-Injektionslöcher 24 und
die sekundären Brennstoff-Injektionslöcher 25 einschließen.
Brennstoff wird durch den primären Gasdurchgang 21 und
den sekundären Gasdurchgang 22 diesen Brennstoff-Injektionslöchern 24, 25 zugeführt. Brennstoffströmung
durch diese beiden Injektionspfade wird unabhängig geregelt,
was die Regelung über das radiale Brennstoff/Luft-Konzentrationsverteilungsprofil
von der Dralldüsen-Nabe 201 bis zum Dralldüsen-Umhüllungsring 202 ermöglicht.
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Es
ist bekannt, dass das radiale Brennstoffkonzentrations-Profil eine
signifikante Rolle bei der Bestimmung der Leistungsfähigkeit
von mager vorgemischten Trockenbrennern geringer Emissionen spielt,
einen signifikanten Einfluss auf die verbrennungsgetriebene dynamische
Druckaktivität, die Emissions-Leistungsfähigkeit
und die Abschaltfähigkeit hat. Die radiale Profilregelung
liefert ein Mittel zum Kompensieren der Erdgasbrennstoff-Volumenströmungsraten-Variation
aufgrund von Änderung im Brennstoffheizwert (Zusammensetzung)
und/oder der Zufuhrtemperatur. Ein zusätzlicher Vorteil
dieses neuen Brennstoffversorgungs-Schemas ist das Potenzial zur
Lastrückweisung zu den sekundären Brennstoffdurchgängen,
da die resultierende nabenreiche Konfiguration die Verbrennung bei
einem Bruchteil der Volllast-Brennstoffströmung aufrechterhalten
könnte.
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Im
Zentrum der Brennerbaueinheit befindet sich eine konventionelle
Diffusionsflammen-Brennstoffdüse 4, die eine geschlitzte
Gasspitze 42 aufweist, die Verbrennungsluft von einem ringförmigen Durchgang 41 und
Erdgasbrennstoff durch Gaslöcher 43 empfängt.
Der Körper dieser Brennstoffdüse schließt
eine Ausdehnungsmanschette 44 zum Kompensieren unterschiedlicher
thermischer Ausdehnungen zwischen dieser Düse und dem Vormischer
ein. Diese Brennstoffdüse wird während der Zün dung, Beschleunigung
und einer geringen Last benutzt, wo die Vormischermischung zum Brennen
zu mager ist. Diese Diffusionsflammen-Brennstoffsdüse kann auch
eine Pilotflamme für den Vormischer liefern, um diesen
Bereich der Betriebsfähigkeit auszudehnen. Im Zentrum dieser
Diffusionsflammen-Brennstoffdüse ist ein Hohlraum 45,
der zur Aufnahme einer Flüssigbrennstoff-Düsenbaueinheit
zur Bereitstellung einer dualen Brennstofffähigkeit entworfen
ist.
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Die
dargestellte Struktur bietet ein direkte aktive Regelung des radialen
Brennstoff/Luft-Profils, um die optimale Leistungsfähigkeit über
einen Bereich von Betriebsbedingungen zu gestatten. Sie gestattet
auch die Möglichkeit einer neuen Last-Rückweisungsstrategie,
die bei der Verringerung der Anzahl der Brennstoffsysteme und somit
der gesamten Systemkosten helfen kann.
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Zusätzlich
zur Bereitstellung der Regelung des radialen Brennstoff/Luft-Profils
liefert das Zuführen von Brennstoff zum Vormischer über
zwei unabhängig regelbare Strömungspfade ein Mittel
zum Regeln des Druckabfalls über die Brennstoff-Injektionslöcher.
Dies liefert ein anderes Verfahren zum Regeln der dynamischen Druckaktivität,
weil das Ansprechen der Brennstoff-Injektion auf Druckwellen in
dem Vormischer dahingehend eingestellt werden kann, dass es der
Luftzufuhr angepasst ist. Diese Fähigkeit wird selbst dann
beibehalten, wenn Variationen im Brennstoffzufuhr-Heizwert und/oder
der Temperatur es erforderlich machen, die Volumenströmung
von Brennstoff durch den Injektor zu variieren, weil der gesamte
effektive Bereich der Brennstoff-Injektionslöcher durch
Variieren der Brennstoffströmungs-Aufspaltung zwischen
den beiden Strömungspfaden eingestellt werden kann. Diese
Fähigkeit ist nicht erhältlich bei Injektoren,
die einen einzigen Brennstoff-Strömungspfad festen Bereiches
aufweisen, was typisch für den Stand der Technik ist. Durch
Anpassen des Vormischerbrennstoff- und -luft-Ansprechens auf Druckwellen
kann die dynamische Druckverstärkung, die aus dem Oszillationszyklus
mit schwacher Grenze resultiert, minimiert oder beseitigt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform kann das in den 1–3 veranschaulichte
Design dahingehend ausgedehnt werden, dass es mehrere Brennstoffströme
unterschiedlicher Zusammensetzung gestattet, in den Brennstoff/Luft-Vormischer einzutreten.
So wird, z. B., unter Bezugnahme auf 4, ein dritter
Brennstoffdurchgang oder Brennstoffeinlass 30 hinzugefügt,
um zu gestatten, dass Mischungen mehrerer Gasströme, wie
Synthesegas und Erdgas, in den Vormischdurchgang für eine
erwünschte Leistungsfähigkeit, wie Brennstoffvermischung
für Emissionen, Robustheit der Flammenhaltung oder Regelung
von Verbrennungs-Oszillationen eintritt. Obwohl ein zusätzlicher
Brennstoffdurchgang oder Brennstoffeinlass 30 gezeigt sind,
können viele solcher Brennstoffdurchgänge/Einlässe
hinzugefügt werden. Jeder Brennstoffdurchgang 30 kann
eine gemischte Synthesegas- und Methanströmung benutzen
oder einfach Synthesegas strömen lassen, während
andere Kreisläufe Erdgas während des Betriebes
strömen lassen. Mit dieser Konstruktion können große
Wobbeindex-Variationen gestattet werden durch Regeln sowohl der
Volumenströmung als auch Druckverhältnisse durch
die Vielzahl von Öffnungen, die Brennstoff in den Vormischdurchgang
injizieren. Während des Betriebes kann ein Durchgang Brennstoff
hindurchlassen und „an”- oder „ab”-
oder irgendwo dazwischen geschaltet werden, was vom Wobbeindex des
strömenden Brennstoffes abhängt.
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In
der Vergangenheit verursachten große volumetrische Strömungen,
die mit Synthesegas-Brennstoffen, wie solchen mit CO verbunden waren,
potenzielle Flammenruckschlags/Flammenhalte-Herausforderungen aufgrund
von Strahlpe netration oder Aufschlag an die aerodynamischen Leistungsfähigkeiten
von Drallerzeugerschaufeln. Die Anwendung mehrerer Brennstoffdurchgänge,
wie sie in 4 gezeigt sind; für
Anwendungen, wie Synthesegas oder Variationen im Wobbeindex, gestatten den
Gebrauch einer einzigen Düsengeometrie. Die mehrfachen
Brennstoffdurchgänge gestatten die Regelung des Strahlmomentes
und anderer Flammenhaltefehler mit einem Vormischersystem. Größe
Blockaden, die von den Brennstoffstrahlen resultieren, werden vermieden
und somit werden Störungen an der aerodynamischen Schaufel-Leistungsfähigkeit minimiert.
Die Anwendung mehrfacher Brennstoffdurchgänge gestatten
zusätzlich das Potenzial, mehrere Brennstoffströme,
wie Synthesegas, Methan oder andere Brennstoffe, innerhalb des Verbrennungssystems
zu vermengen.
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Mit
der modifizierten Struktur sind die mehrfachen Brennstoffeinlässe
in entsprechenden Brennstoffquellen regelbar, um große
Wobbeindex-Variationen (d. h., mehr als 10%) innerhalb einer fixierten Geometrie
zu bewirken. Der Betrieb einer Turbine kann so auf erwünschte
Abgaben für Parameter eingestellt werden oder Betriebsfragen
ansprechen, indem man die Brennstoffzugabe regelt, ohne strukturelle Änderungen
am System zu benötigen.
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Während
die Erfindung in Verbindung damit beschrieben wurde, was derzeit
als die praktischsten und bevorzugtesten Ausführungsformen
angesehen wird, sollte klar sein, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten
Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil
zahlreiche Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken
soll, die im Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche
liegen.
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Ein
Brennstoff/Luft-Vormischer zum Einsatz in einem Brenner in einem
Verbrennungssystem einer Gasturbine schließt einen Lufteinlass 1, 6,
eine fixierte Düsengeometrie 4 und einen ringförmigen Mischdurchgang 3 ein.
Der Brennstoff/Luft-Vormischer vermischt Brennstoff und Luft in
dem ringförmigen Mischdurchgang zur Injektion in eine Brenner-Reaktionszone 5.
Eine Vielzahl von Brennstoffquellen 21, 22 ist
mit der fixierten Düsengeometrie verbunden und jede der
Brennstoffquellen kann mit der fixierten Düsengeometrie
zusammenarbeiten, um mehrere Brennstoffströmungs-Variationen
zu bewirken, einschließlich Variationen in der Brennstoffart,
Brennstoffmischung, Volumenströmung und Druckverhältnisse.
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- 1
- Einlassströmungs-Konditionierer
- 2
- Dralldüsen-Baueinheit
- 3
- Ringförmiger
Brennstoff/Luft-Mischdurchgang
- 4
- Düsen-Baueinheit
- 5
- Brenner-Reaktionszone
- 6
- Hochdruckraum
- 15
- Ringförmiger
Strömungsdurchgang
- 13
- Zylindrische
Innenwand
- 12
- Perforierte
zylindrische Außenwand
- 11
- Perforierte
Endkappe
- 14
- Sich
ringförmig drehende Schaufeln
- 202
- Umhüllungswand
- 26
- Glockenmundförmiger Übergang
- 201
- Nabe
- 202
- Umhüllungsring
- 23
- Sich
drehende Schaufeln
- 21
- Erdgasbrennstoff-Zufuhrdurchgang
- 22
- Erdgasbrennstoff-Zufuhrdurchgang
- 24
- Gasbrennstoff-Injektionslöcher
- 25
- Gasbrennstoff-Injektionslöcher
- 29
- Einlassöffnungen
- 27,
28
- Ringförmige
Durchgänge
- 31
- Dralldüsennaben-Verlängerung
- 32
- Dralldüsenumhüllungs-Verlängerung
- 42
- Geschlitzte
Gasspitze
- 43
- Gaslöcher
- 44
- Ausdehnungsmanschette
- 45
- Hohlraum
- 30
- Dritter
Brennstoffdurchgang oder Brennstoffeinlass
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5259184 [0007]
- - US 5211004 [0010]
- - US 6438961 [0010, 0019]