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Hintergrund der Erfindung
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Der
hierin beschriebene Erfindungsgegenstand betrifft eine Gasturbine
und insbesondere eine Brennstoffdüse.
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Gasturbinen
enthalten eine oder mehrere Brennkammer, die verdichtete Luft und
Brennstoff aufnehmen und verbrennen, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen.
Beispielsweise kann die Gasturbine mehrere in Umfangsrichtung um
die Rotationsachse positionierte Brennkammern enthalten. Die Brennkammern
können
entweder einen Flüssigbrennstoff,
einen gasförmigen
Brennstoff oder eine Kombination der zwei Brennstoffe mittels an
einer Basis der Brennkammer positionierter Brennstoffinjektoren
einspritzen. Leider kann der Flüssigbrennstoff
aufgrund der hohen Temperaturen in Verbindung mit der Verbrennung
eine Verkokung erfahren, bevor er aus den Brennstoffinjektoren austritt.
Verkokung ist ein Zustand, bei dem sich der Brennstoff unter Ausbildung
von Kohlenstoffpartikeln aufzuspalten beginnt. Diese Partikel können an
Innenwänden
der Flüssigbrennstoffinjektoren
anhaften. Mit der Zeit können
sich die Partikel von den Wänden
lösen und die
Düsen der
Flüssigbrennstoffinjektoren
verstopfen und dadurch den Flüssigbrennstoffstrom
stören.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Bestimmte
dem Schutzumfang der ursprünglich
beanspruchten Erfindung entsprechende Ausführungsformen sind nachstehend
zusammengefasst. Diese Ausführungsformen
sollen nicht den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einschränken, sondern
stattdessen sollen diese Ausführungsformen
nur eine kurze Zusammenfassung möglicher
Formen der Erfindung darstellen. Tatsächlich kann die Erfindung eine
Vielfalt von Formen umfassen, die den nachstehend beschriebenen
Ausführungsformen ähneln oder
sich davon unterscheiden.
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In
einer ersten Ausführungsform
enthält
ein System einen Brennstoffinjektor mit einem Flüssigbrennstoffkanal, der zu
einer Flüssigbrennstofföffnung führt und
einen Gasbrennstoffkanal, der zu einer Gasbrennstofföffnung führt. Das
System enthält auch
einen Luftverdichter, der dafür
eingerichtet ist, dem Gasbrennstoffkanal einen Luftstrom zuzuführen, während Flüssigbrennstoff
durch den Flüssigbrennstoffkanal
strömt.
Ferner enthält
das System einen Wärmetauscher,
der dafür
eingerichtet ist, den Luftstrom zu kühlen.
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In
einer zweiten Ausführungsform
enthält
ein System einen Brennstoffinjektor mit einem sich zu einer ersten Öffnung in
einem Düsenabschnitt
erstreckenden Flüssigbrennstoffkanal.
Der Brennstoffinjektor enthält
ebenfalls einen wählbaren
Strömungskanal,
der sich zu einer zweiten Öffnung
in dem Düsenabschnitt
erstreckt. Der wählbare
Strömungskanal umgibt
den Flüssigbrennstoffkanal
bis zu dem Düsenabschnitt.
Der wählbare
Strömungskanal
ist dafür eingerichtet,
selektiv einen Gasbrennstoffstrom und einen Luftstrom aufzunehmen,
und der wählbare Strömungskanal
hat eine Strömungstemperatur,
die so bemessen ist, dass ein durch den Flüssigbrennstoffkanal strömender Flüssigbrennstoff
gekühlt
wird, um eine Verkokung zu verringern.
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In
einer dritten Ausführungsform
enthält
ein System einen Brennstoffinjektor mit einem sich zu einer ersten Öffnung erstreckenden
Flüssigbrennstoffkanal.
Der Brennstoffinjektor enthält
ebenfalls einen sich zu einer zweiten Öffnung erstreckenden wählbaren
Strömungskanal.
Der wählbare
Strömungskanal ist
dafür eingerichtet,
selektiv während
eines Gasbrennstoffmodus einen Gasbrennstoffstrom und während eines
Flüssigbrennstoffmodus
einen Luftstrom aufzunehmen, und die zweite Öffnung ist dafür eingerichtet,
den Luftstrom zu führen,
um während des
Flüssigbrennstoffmodus
einen Flüssigbrennstoffstrom
aus der ersten Öffnung
zu zerstäuben.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verständlich,
wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch
die Zeichnungen bezeichnen, in welchen:
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1 eine
Blockdarstellung eines Turbinensystems mit einer mit einer Brennkammer
verbundenen Brennstoffdüse
ist, wobei die Brennstoffdüse
dafür eingerichtet
ist, eine Verkokung in Flüssigbrennstoffinjektoren
gemäß bestimmten
Ausführungsformen der
vorliegenden Technik zu verringern;
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2 eine
Schnittseitenansicht des in 1 dargestellten
Turbinensystems gemäß bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist;
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3 eine
Schnittseitenansicht des in 1 dargestellten
Turbinensystems mit einer mit einer Endabdeckung der Brennkammer
verbundenen Brennstoffdüse
gemäß bestimmten
Ausführungsformen der
vorliegenden Technik ist
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4 eine
perspektivische Ansicht der Brennstoffdüse gemäß Darstellung in 3 mit
einem Satz von Vormischerrohren gemäß bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist;
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5 eine
perspektivische Schnittansicht der in 4 dargestellten
Brennstoffdüse
gemäß bestimmten
Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist;
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6 eine
perspektivische Explosionsansicht der in 4 dargestellten
Brennstoffdüse
gemäß bestimmten
Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist;
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7 eine
Querschnittansicht der in 4 dargestellten
Brennstoffdüse
gemäß bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist;
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8 eine
Seitenansicht des in 7 dargestellten Vormischerrohres
gemäß bestimmten
Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist;
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9 eine
Querschnittsseitenansicht des Vormischerrohres entlang der Linie
9-9 von 8 gemäß bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist;
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10 eine
Querschnittsseitenansicht des Vormischerrohres entlang der Linie
10-10 von 8 gemäß bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist;
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11 eine
Querschnittsseitenansicht des Vormischerrohres entlang der Linie
11-11 von 8 gemäß bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist;
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12 eine
perspektivische Ansicht einer in einem Gasbrennstoffinjektor gemäß Darstellung
in 7 angeordneten Flüssigbrennstoffpatrone gemäß bestimmten
Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist;
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13 eine
Draufsicht von oben auf die in dem Gasbrennstoffinjektor von 12 angeordneten Flüssigbrennstoffpatrone
gemäß bestimmten
Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist;
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14 eine
Querschnittsseitensicht der in dem Gasbrennstoffinjektor angeordneten
Flüssigbrennstoffpatrone
entlang der Linie 14-14 von 13 gemäß bestimmten
Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist;
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15 eine
detaillierte Querschnittsseitensicht der in dem Gasbrennstoffinjektor
angeordneten Flüssigbrennstoffpatrone
entlang der Linie 15-15 von 14 gemäß bestimmten
Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist;
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16 eine
Querschnittsseitensicht der in dem Gasbrennstoffinjektor angeordneten
Flüssigbrennstoffpatrone
entlang der Linie 16-16 von 13 gemäß bestimmten
Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist;
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17 eine
perspektivische Ansicht eines Düsenabschnittes
der Flüssigbrennstoffpatrone
gemäß Darstellung
in 12 gemäß bestimmten
Ausführungsformen
der vorliegenden Technik ist; und
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18 eine
Querschnittsseitensicht des Gasbrennstoffinjektors gemäß Darstellung
in 7 ist, der in einer Endabdeckung gemäß bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Technik angeordnet ist.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Eine
oder mehrere spezifische Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. In dem
Bemühen,
eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können nicht
alle Merkmale einer tatsächlichen
Implementation in der Beschreibung beschrieben werden. Es dürfte erkennbar
sein, dass bei der Entwicklung von jeder derartigen tatsächlichen
Implementation wie bei jedem technischen oder konstruktiven Projekt
zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden
müssen,
um die spezifischen Ziele des Entwicklers, wie z. B. Übereinstimmung
mit systembezogenen und geschäftsbezogenen
Einschränkungen
zu erreichen, welche von einer Implementation zur anderen variieren
können. Ferner
dürfte
erkennbar sein, dass eine derartige Entwicklungsanstrengung komplex
und zeitaufwendig sein kann, aber trotzdem hinsichtlich Auslegung, Herstellung
und Fertigung für
den normalen Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenlegung eine Routineaufgabe
wäre.
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Wenn
Elemente verschiedener Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel ”einer,
eines, eine”, ”der, die,
das” und ”besagter,
besagte, besagtes” die
Bedeutung haben, dass eines oder mehrere von den Elementen vorhanden
sein kann. Die Begriffe ”aufweisend”, ”enthaltend” und ”habend” sollen
einschließend
sein und die Bedeutung haben, dass zusätzliche weitere Elemente außer den
aufgelisteten Elementen vorhanden sein können.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Offenlegung können
das Verkoken in einem Flüssigbrennstoffkanal
erheblich verringern oder beseitigen, indem sie den Flüssigbrennstoffkanal
mit Kühlluft und/oder
Gasbrennstoff umgeben, um eine Isolation gegenüber den heißen Verbrennungsgasen zu erzeugen. Insbesondere
kann ein Turbinensystem eine Brennstoffdüse mit einer in einem Gasbrennstoffinjektor
angeordneten Flüssigbrennstoffpatrone
enthalten. Die Flüssigbrennstoffpatrone
und der Gasbrennstoffinjektor können
dafür eingerichtet
sein, einen Flüssig-
und/oder Gasbrennstoff in ein Vormischerrohr zur anschließenden Vermischung
mit Luft vor der Verbrennung einzuspritzen. Während Perioden eines Gasbrennstoffbetriebs
kann das Turbinensystem Gasbrennstoff durch einen wählbaren
Strömungskanal
in den Gasbrennstoffinjektor strömen lassen.
Da die Flüssigbrennstoffpatrone
im Wesentlichen in dem wählbaren
Strömungskanal
angeordnet sein kann, kann der Gasbrennstoffstrom zum Isolieren
der Flüssigbrennstoffpatrone
dienen und dadurch ein Verkoken wesentlich verringern oder beseitigen. Während Perioden
eines Flüssigbrennstoffbetriebs kann
das Turbinensystem Kühlluft
aus einem Wärmetauscher
durch den wählbaren
Strömungskanal strömen lassen,
um die Flüssigbrennstoffpatrone
gegenüber
heißen
Verbrennungsgasen zu isolieren. In dieser Anordnung kann die Kühlluft ein
Verkoken des Flüssigbrennstoffs
in der Flüssigbrennstoffpatrone erheblich
verringern oder beseitigen, um dadurch die Möglichkeit einer Blockierung
des Flüssigbrennstoffstroms
in das Vormischerrohr zu verringern. Zusätzlich kann die Kühlluft entlang
dem Strömungspfad
des aus der Flüssigbrennstoffpatrone
austretenden Flüssigbrennstoffs
geführt
werden, um dadurch die Zerstäubung
zu verbessern. Ferner kann die Kühlluft
die Temperatur der Verbrennungsreaktion verringern. Die verringerte
Temperatur kann dazu dienen, die Abgasemissionen unter vorgeschriebene Pegel
zu senken, ohne ein komplexes und teueres Wasserinjektionssystem
einzusetzen. In bestimmten Ausführungsformen
können
die Flüssigbrennstoffpatronen
leicht aus der Brennstoffdüse
ausbaubar sein. Derartige Ausführungsformen
können
die Wartungskosten verringern und die Auswahl einer Flüssigbrennstoffpatrone
mit Merkmalen ermöglichen,
die für
einen speziellen Flüssigbrennstoff
eingerichtet sind.
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In
den Zeichnungen und zunächst
in 1 ist eine Blockdarstellung einer Ausführungsform
einer Gasturbine 10 dargestellt. Die Darstellung enthält eine
Brennstoffdüse 12,
eine Gasbrennstoffzuführung 14,
eine Flüssigbrennstoffzuführung 15 und
eine Brennkammer 16. Gemäß Darstellung führt die
Gasbrennstoffzuführung 14 dem
Turbinensystem 10 durch die Brennstoffdüse 12 in der Brennkammer 16 einen
Gasbrennstoff zu, wie z. B. Erdgas. In ähnlicher Weise führt das
Flüssigbrennstoffsystem 15 dem
Turbinensystem 10 einen Flüssigbrennstoff zu, wie z. B.
Kerosin oder Dieselbrennstoff. Das Turbinensystem 10 kann
in einem Flüssigbrennstoffmodus,
einem Gasbrennstoffmodus oder einem kombinierten Modus (z. B. Flüssig/Gas-Übergangsmodus) arbeiten.
Wie nachstehend diskutiert, ist die Brennstoffdüse 12 dafür eingerichtet,
den Brennstoff mit verdichteter Luft einzuspritzen und zu vermischen, während gleichzeitig
eine Verkokung in den Flüssigbrennstoffinjektoren
wesentlich verringert oder beseitigt wird. Die Brennkammer 16 zündet und
verbrennt das Brennstoff/Luft-Gemisch und leitet dann das heiße unter
Druck stehende Abgas in einen eigentlichen Turbinenabschnitt 18.
Das Abgas passiert die Turbinenschaufeln in dem Turbinenabschnitt 18,
um dadurch den Turbinenabschnitt 18 drehend anzutreiben.
Die Verbindung zwischen Laufschaufeln in dem Turbinenabschnitt 18 und
der Welle 19 bewirkt wiederum die Drehung der Welle 19,
welche auch mit mehreren Komponenten in dem gesamten Turbinensystem 10 wie
dargestellt verbunden ist. Schließlich kann das Abgas aus dem
Verbrennungsprozess das Turbinensystem 10 über einen
Abgasauslass 20 verlassen.
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In
einer Ausführungsform
des Turbinensystems 10 sind Verdichterleitschaufeln oder
-Laufschaufeln als Komponenten des Verdichters 22 enthalten.
Die Laufschaufeln in dem Verdichter 22 können mit
der Welle 19 verbunden sein und drehen sich, sobald die
Welle 19 angetrieben wird, um den Turbinenabschnitt 18 zu
drehen. Der Verdichter 22 kann Luft in das Turbinensystem 10 über eine
Luftöffnung 24 einsaugen.
Ferner kann die Welle 19 mit einer Last 26 verbunden
sein, welche durch eine Drehung der Welle 19 angetrieben
wird. Wie bekannt, kann die Last 26 jede beliebige geeignete
Vorrichtung sein, die Energie über
eine Rotationsabgabe des Turbinensystems 10 erzeugen kann,
wie z. B. eine Energieerzeugungsanlage oder eine externe mechanische
Last. Beispielsweise kann die Last 26 einen elektrischen
Generator, einen Propeller eines Flugzeugs usw. beinhalten. Die
Luftöffnung 24 saugt Luft 30 in
das Turbinensystem 10 über
einen geeigneten Mechanismus, wie z. B. eine Kaltluftöffnung für eine anschließende Vermischung
der Luft 30 mit einer Gasbrennstoffzuführung 14 und/oder
Flüssigbrennstoffzuführung 15 mittels
einer Brennstoffdüse 12 ein.
Wie es nachstehend im Detail diskutiert wird, kann die durch das
Turbinensystem 10 angesaugte Luft 30 in den Verdichter 22 geführt und
zu einer verdichteten Luft durch die rotierenden Laufschaufeln verdichtet
werden. Die unter Druck stehende Luft kann dann gemäß Darstellung
durch den Pfeil 32 in die Brennstoffdüse 12 eingespeist
werden. Die Brennstoffdüse 12 kann
dann die unter Druck stehende Luft und Brennstoff, dargestellt durch
das Bezugszeichen 34, vermischen, um ein für die Verbrennung geeignetes
Mischverhältnis
zu erzeugen, z. B. für eine
Verbrennung, die eine vollständigere
Verbrennung des Brennstoffs bewirkt, um so keinen Brennstoff zu
verschwenden oder übermäßige Emissionen zu
bewirken. Eine Ausführungsform
des Turbinensystems 10 enthält bestimmte Strukturen und
Komponenten in einer Brennstoffdüse 12,
um eine Verkokung in den Flüssigbrennstoffinjektoren
erheblich zu verringern oder zu beseitigen, um dadurch einen einwandfreien
Flüssigbrennstoffstrom
in die Verbrennungszone zu sicherzustellen.
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Wie
nachstehend im Detail diskutiert, kann während Perioden, wenn das Turbinensystem 10 in dem
Flüssigbrennstoffmodus
arbeitet, Luft über
Flüssigbrennstoffinjektoren
in der Brennstoffdüse 12 streichen,
um eine Verkokung zu verhindern. Verkokung ist ein Zustand, in dem
sich der Brennstoff sich unter Ausbildung von Kohlenstoffpartikeln
aufzuspalten beginnt. Diese Partikel können an Innenwänden der
Flüssigbrennstoffinjektoren
anhaften. Mit der Zeit können
sich die Partikel von den Wänden
lösen und die
Spitzen der Flüssigbrennstoffinjektoren
verstopfen. Die Verkokung kann erheblich verringert oder beseitigt
werden, indem der Brennstoff in den Flüssigbrennstoffinjektoren auf
einer Temperatur unter der Verkokungstemperatur des Brennstoffs
gehalten wird. Insbesondere kann die Brennstoffdüse 12 dafür eingerichtet
sein, Luft entlang den Flüssigbrennstoffinjektoren
bei einer Temperatur unter der Brennstoffverkokungstemperatur strömen zu lassen.
In bestimmten Konfigurationen kann ein Anteil der Luft aus einer
Zwischenstufe des Verdichters 22 zu einem sekundären Verdichter 35 umgeleitet
werden, um den Luftdruck zu erhöhen.
Die Luft kann dann einen Wärmetauscher 37 passieren,
um die Lufttemperatur auf einen Wert unter der Verkokungstemperatur
des Flüssigbrennstoffs
zu abzusenken. Beispielsweise kann Luft aus der Zwischenstufe des
Verdichters 22 bei angenähert 149 bis 371°C (300 bis
700°F),
177 bis 344 (350 bis 650°F),
204 bis 316°C
(400 bis 600°F)
oder angenähert
260°C (500°F) liegen.
Ferner kann die Verdichtung in dem Verdichter 35 die Lufttemperatur
auf etwa 260 bis 538°C
(500 bis 1000°F),
316 bis 482°C
(600 bis 900°F),
404 bis 427°C
(700 bis 800) oder etwa 399°C
(750°F)
erhöhen.
Die Temperatur, bei welcher eine Verkokung auftritt, variiert in
Abhängigkeit
von dem Brennstoff. Jedoch kann bei typischen Petroleum-basierenden Flüssigbrennstoffen,
bei denen der Brennstoff nicht mit einem Verkokungsverhinderungsmittel
behandelt worden ist, oder der Sauerstoff nicht entfernt worden ist,
das Auftreten der Verkokung bei einer Temperatur von angenähert 138°C (280°F) beginnen.
Des Weiteren kann beispielsweise flüssiger auf Petroleum basierender
Brennstoff bei Temperaturen größer als
angenähert
138°C (280°F), 193°C (380°F), 249°C (480°F), 304°C (580°F), 360°C (680°F) 416°C oder (780°F) verkoken.
Daher kann der Wärmetauscher 37 so
eingerichtet sein, dass er die Temperatur der Luft aus dem Verdichter 35 auf
eine Temperatur unter der Verkokungstemperatur des Flüssigbrennstoffs absenkt.
Auf diese Weise kann eine Verkokung in den Flüssigbrennstoffinjektoren erheblich
verringert oder beseitigt werden. In alternativen Ausführungsformen
kann Luft aus dem Verdichter 22 direkt dem Wärmetauscher 37 zugeführt werden,
bevor sie durch die Brennstoffdüse 12 strömt. Zusätzlich kann die
Brennstoffdüse 12 dergestalt
eingerichtet sein, dass die Kühlluft
durch dieselben Kanäle
strömt,
die zum Einspritzen von Gasbrennstoff während Perioden eines Gasbrennstoffbetriebs
verwendet werden. In dieser Konfiguration kann nur ein an die Flüssigbrennstoffinjektoren
angrenzender Satz von Gas/Luft-Kanälen verwendet werden. Eine
derartige Konfiguration kann Fertigungskosten in Verbindung mit
der Brennstoffdüsenkonstruktion
verringern. Ferner kann während Übergangsperioden,
wenn sowohl Flüssigbrennstoff
als auch Gasbrennstoff durch die Brennstoffdüse 12 eingespritzt
werden, der an den Flüssigbrennstoff
angrenzende Gasbrennstoffstrom ebenfalls dazu dienen, die Verkokung
zu verringern, um dadurch eine Einspritzung des Kühlluftstroms
unnötig
zu machen.
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2 stellt
eine Schnittseitenansicht einer Ausführungsform des Turbinensystems 10 dar.
Gemäß Darstellung
enthält
die Ausführungsform
einen Verdichter 22, der mit einer ringförmigen Anordnung von
Brennkammern 16, z. B. sechs, acht, zehn oder zwölf Brennkammern 16 verbunden
ist. Jede Brennkammer 16 enthält wenigstens eine Brennstoffdüse 12 (z.
B. 5, 10, 15, 20, 25 oder mehr), die ein Luft/Brennstoff-Gemisch
in eine in jeder Brennkammer angeordnete Verbrennungszone einspeist.
Die Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemisches in den Brennkammern 16 bewirkt
eine Rotation der Laufschaufeln in dem Turbinenabschnitt 18,
sobald Abgase in Richtung des Abgasauslasses 20 passieren. Wie
es nachstehend im Detail diskutiert wird, enthalten bestimmte Ausführungsformen
der Brennstoffdüse 12 eine
Vielfalt von einmaligen Merkmalen, um Verkokung in den Flüssigbrennstoffinjektoren
zu verringern, um dadurch einen im Wesentlichen unbehinderten Flüssigbrennstoffstrom
in die Verbrennungszone bereitzustellen.
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Eine
detaillierte Ansicht einer Ausführungsform
der Brennkammer 16 gemäß Darstellung
in 2 ist in 3 dargestellt.
In der Darstellung ist die Brennstoffdüse 12 an der Endabdeckung 38 an einem
Basis- oder Kopfende 39 der Brennkammer 16 angebracht.
Verdichtete Luft und Brennstoff werden durch die Endabdeckung 38 der
Brennstoffdüse 12 zugeführt, die
ein Luft/Brennstoff-Gemisch in der Brennkammer 16 verteilt.
Die Brennstoffdüse 12 empfängt verdichtete
Luft aus dem Verdichter 22 über einen Strömungspfad,
um den und teilweise durch die Brennkammer 16 von einem
stromabwärts liegenden
Ende zu einem stromaufwärts
liegenden Ende (z. B. Kopfende 39) der Brennkammer 16.
Insbesondere enthält
das Turbinensystem 10 ein Gehäuse 40, das einen
Einsatz 42 und eine Strömungshülse 44 der
Brennkammer 16 umgibt. Die verdichtete Luft tritt zwischen
dem Gehäuse 40 und
der Brennkammer 16 hindurch, bis sie die Strömungshülse 44 erreicht.
Nach dem Erreichen der Strömungshülse 44 passiert
die verdichtete Luft Perforationen in der Strömungshülse 44, tritt in einen
hohlen ringförmigen Raum
zwischen der Strömungshülse 44 und
dem Einsatz 42 ein und fließt stromaufwärts in Richtung zu
dem Kopfende 39. Auf diese Weise kühlt die verdichtete Luft effektiv
die Brennkammer 16, bevor sie sich mit Brennstoff für die Verbrennung
vermischt. Nach dem Erreichen des Kopfendes 39 strömt die verdichtete Luft
in die Brennstoffdüse 12 zur
Vermischung mit dem Brennstoff. Wiederum kann die Brennstoffdüse 12 ein
unter Druck stehendes Luft/Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer 16 verteilen,
in der die Verbrennung des Gemisches erfolgt. Das sich ergebende
Abgas strömt
durch das Übergangsstück 48 zum
Turbinenabschnitt 18 und bewirkt eine Rotation der Schaufeln
des Turbinenabschnittes 18 zusammen mit der Welle 19.
Im Wesentlichen verbrennt das Luft/Brennstoff-Gemisch stromabwärts von
der Brennstoffdüse 12 in
der Brennkammer 16. Die Vermischung der Luft- und Brennstoffströme kann
von Eigenschaften jedes Stroms, wie z. B. Brennstoffheizwert, Durchsatz
und Temperatur abhängen.
Insbesondere kann sich die unter Druck stehende Luft auf einer Temperatur
um 344 bis 482°C (650
bis 900°F)
befinden und der Brennstoff kann sich bei etwa 21 bis 260°C (70 bis
500°F) befinden. Wie
nachstehend im Detail diskutiert, kann die Brennstoffdüse 12 verschiedene
Merkmale enthalten, die dafür
eingerichtet sind, eine Verkokung durch Isolation des Flüssigbrennstoffstroms
mit Kühlluft und/oder
Gasbrennstoff erheblich zu verringern oder zu beseitigen.
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4 stellt
eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffdüse 121 dar, die in
der Brennkammer 16 von 3 verwendet
werden kann. Die Brennstoffdüse 12 enthält eine
Mini-Düsenkappe 50 mit mehreren
Vormischerrohren 52. Erste Fenster 54 können um
einen Umfang der Mini-Düsenkappe 50 herum
positioniert sein, um einen Luftstrom in die Kappe 50 in
der Nähe
eines stromabwärts
liegenden Abschnittes 55 der Kappe 50 zu ermöglichen.
Zweite Fenster 56 können
ebenfalls um einen Umfang der Mini-Düsenkappe 50 herum
näher an
der Endabdeckung 38 positioniert sein, um einen zusätzlichen Luftstrom
in der Nähe
eines stromaufwärts
liegenden Abschnittes 57 der Kappe 50 zu ermöglichen.
Jedoch kann, wie es nachstehend detaillierter diskutiert wird, die
Brennstoffdüse 12 auch
dafür eingerichtet
sein, einen Luftstrom aus beiden Fenstern 54 und 56 in
die Vormischerrohre 52 mit größerer Menge bei dem stromaufwärts liegenden
Abschnitt 57 als bei dem stromabwärts liegenden Abschnitt 55 einzuführen. Die
Anzahl der ersten Fenster 54 und zweiten Fenster 56 kann
auf der Basis eines gewünschten
Luftstroms in die Mini-Düsenkappe 50 variieren.
Beispielsweise können
die ersten und zweiten Fenster 54 und 56 jeweils
einen Satz von angenähert
2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 oder 20 Fenster enthalten, die um
den Umfang der Mini-Düsenkappe 50 herum
verteilt sind; die vorliegende Ausführungsform hat 10 Fenster.
Jedoch kann die Größe und Form
dieser Fenster so eingerichtet sein, dass sie speziellen Auslegungsgesichtspunkten
der Brennkammer 16 entsprechen. Die Mini-Düsenkappe 50 kann
an der Endabdeckung 38 unter Ausbildung einer vollständigen Brennstoffdüsenbaugruppe 12 befestigt
sein.
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Wie
es später
im Detail diskutiert wird, können
sich Brennstoff und Luft in den Vormischerrohren 52 in
einer Druckoszillationen vor der Einspritzung in die Brennkammer 16 verringernden
Weise mischen. Luft aus den Fenstern 54 und 56 kann
in die Vormischerrohre 52 strömen und sich mit durch die
Endabdeckung 38 strömendem
Brennstoff vereinen. Der Brennstoff und die Luft können sich
auf ihrem Weg entlang der Länge
der Vormischerrohre 52 vermischen. Beispielsweise kann
jedes Vormischerrohr 52 eine vergrößerte Länge, im Winkel angeordnete
Perforationen zum Bewirken von Drall und/oder einem nicht perforierten
Bereich stromabwärts
von einem perforierten Bereich enthalten. Diese Merkmale können die
Verweilzeit des Brennstoffs und der Luft erheblich verringern und
die Druckoszillationen in dem Vormischerrohr 52 dämpfen. Nach
dem Verlassen der Rohre 52 kann das Brennstoff/Luft-Gemisch
gezündet
werden, um heißes
Gas zu erzeugen, das den Turbinenabschnitt 18 antreibt.
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5 zeigt
einen Querschnitt der in 4 dargestellten Brennstoffdüse 12.
Dieser Querschnitt stellt die Vormischerrohre 52 in der
Mini-Düsenkappe 50 dar.
Wie man in 5 sehen kann, enthält jedes Vormischerrohr 52 mehrere
Perforationen entlang der Längsachse
des Rohres 52. Diese Perforationen 58 leiten Luft
aus den Fenstern 54 und 56 in die Vormischerrohre.
Die Anzahl von Perforationen und die Abmessung jeder Perforation
können
auf der Basis eines gewünschten
Luftstroms in jedes Vormischerrohr 52 variieren. Brennstoff
kann durch die Endabdeckung 38 hindurch eingespritzt werden
und sich mit der durch die Perforationen 58 eintretenden
Luft vermischen. Wiederum kann die Position, Ausrichtung und allgemeine
Anordnung der Perforationen 58 dafür eingerichtet sein, die Verweilzeit
wesentlich zu erhöhen
und Druckoszillationen in dem Brennstoff und der Luft zu dämpfen, um
dadurch wiederum Oszillationen in dem in der Brennkammer 16 stromabwärts von
der Brennstoffdüse 12 auftretenden
Verbrennungsprozess erheblich zu dämpfen. Beispielsweise kann
der Prozentsatz von Perforationen 58 in dem stromaufwärts liegenden
Abschnitt 57 höher
als in dem stromabwärts
liegenden Abschnitt 55 jedes Vormischerrohres 52 sein.
Durch die Perforationen 58 weiter stromaufwärts 57 eintretende
Luft wandert über
eine größere Strecke
durch das Vormischerrohr 52, während durch die Perforationen 58 weiter
stromabwärts 55 eintretende
Luft über
eine kürzere
Strecke durch das Vormischerrohr 52 wandert. In bestimmten
Ausführungsformen
können
die Perforationen 58 relativ größer in dem stromaufwärts liegenden Bereich 57 und
relativ kleiner in dem stromabwärts liegenden
Bereich 55 des Vormischerrohres 52 oder umgekehrt
bemessen sein. Beispielsweise können größere Perforationen 58 in
dem stromaufwärts
liegenden Abschnitt 57 zu einem größeren Prozentsatz von durch
den stromabwärts
liegenden Abschnitt 57 des Vormischerrohres 52 eintretender
Luft führen, was
wiederum zu einer größeren Verweilzeit
in dem Vormischerrohr 52 führt. In einigen Ausführungsformen
können
die Perforationen 58 in einem Winkel angeordnet sein, um
einen Drall zum Steigern der Vermischung, Verlängern der Verweilzeit und Dämpfen von
Druckoszillationen in den Luft- und Brennstoffströmen durch
das Vormischerrohr 52 zu bewirken. Schließlich spritzt
das Vormischerrohr 52 nach einer erheblichen Dämpfung der
Druckoszillationen in den Brennstoff- und Luftströmen das Brennstoff/Luft-Gemisch
in die Brennkammer 16 zur Verbrennung ein.
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6 ist
eine Explosionsansicht der in 4 dargestellten
Brennstoffdüse 12.
Diese Figur stellt die Konfiguration der Vormischerrohre 52 in
der Mini-Düsenkappe 50 ausführlicher
dar. 6 zeigt auch eine weitere Perspektive der ersten
Fenster 54 und der zweiten Fenster 56. Zusätzlich veranschaulicht
diese Figur die Pfade und Strukturen für die Brennstoffzuführung in
die Basis jedes Vormischerrohres 52.
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Turbinen
können
mit Flüssigbrennstoff,
Gasbrennstoff oder einer Kombination der Beiden arbeiten. Die in 6 präsentierte
Brennstoffdüse 12 ermöglicht sowohl
einen Flüssig-
als auch Gasbrennstoffstrom in die Vormischerrohre 52.
Jedoch können andere
Ausführungsformen
für einen
Betrieb ausschließlich
mit Flüssigbrennstoff
oder Gasbrennstoff eingerichtet sein. Der Gasbrennstoff kann durch
eine Gasinjektorplatte 60 in die Vormischerrohre 52 eintreten.
Diese Platte 60 enthält
gemäß Darstellung mehrere
konusförmige
Gasbrennstoffinjektoren 61, die den Vormischerrohren 52 Gas
zuführen.
Gas kann der Gasinjektorplatte 60 durch die Endabdeckung 38 hindurch
zugeführt
werden. Die Endabdeckung 38 kann mehrere Gänge 62 (z.
B. eine ringförmige
oder gekrümmt
geformte Aussparung) enthalten, die Gas aus der Gasbrennstoffzuführung 14 der Gasinjektorplatte 60 zuführen. Die
dargestellte Ausführungsform
enthält
drei Gänge 62,
z. B. einen ersten Gang 64, zweiten Gang 66 und
dritten Gang 68. Der zweite Gang 66 und dritte Gang 68 sind
in mehrere Bereiche unterteilt. Jedoch können zusammenhängende ringförmige Gänge 66 und 68 in
alternativen Ausführungsformen
verwendet werden. Die Anzahl der Gänge kann auf der Basis der
Konfiguration der Brennstoffdüse 12 variieren.
Wie man in dieser Figur sehen kann, sind die Gasbrennstoffinjektoren 61 in
zwei einen zentralen Injektor 61 umgebenden konzentrischen
Kreisen angeordnet. In dieser Konfiguration kann der erste Gang 64 Gas
dem zentralen Injektor 61 zuführen, der zweite Gang 66 kann
Gas dem inneren Kreis des Injektors 61 zuführen und
der dritte Gang 68 kann Gas dem äußeren Kreis der Injektoren 61 zuführen. Auf
diese Weise kann jedem Vormischerrohr 52 Gasbrennstoff
zugeführt
werden.
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Flüssigbrennstoff
kann den Vormischerrohren 52 durch mehrere Flüssigkeitszerstäuberstifte oder
Flüssigbrennstoffpatronen 70 zugeführt werden. Jede
Flüssigbrennstoffpatrone 70 kann
durch die Endabdeckung 38 und die Gasinjektorplatte 60 hindurch
verlaufen. Wie es nachstehend diskutiert wird, kann sich die Spitze
jeder Flüssigbrennstoffpatrone 70 innerhalb
jedes Gasbrennstoffinjektors 61 befinden. In dieser Konfiguration
können
sowohl Flüssig- als
auch Gasbrennstoff in die Vormischerrohre 52 eintreten.
Beispielsweise können
die Flüssigbrennstoffpatronen 70 einen
zerstäubten
Flüssigbrennstoff in
jedes Vormischerrohr 52 einspritzen. Diese zerstäubte Flüssigkeit
kann sich mit dem eingespritzten Gas und der Luft in den Vormischerrohren 52 vereinen.
Das Gemisch kann dann, während
es die Brennstoffdüse 12 verlässt, entzündet werden.
Wie nachstehend im Detail diskutiert wird, kann durch die Flüssigbrennstoffpatronen 70 strömender Flüssigbrennstoff
gegenüber
den Verbrennungsgasen mittels Gasbrennstoff und/oder Kühlluft aus
dem Wärmetauscher 37,
die durch die Gasbrennstoffinjektoren 61 strömen, isoliert
werden. Diese Konfiguration kann ein Verkoken der Flüssigbrennstoffpatronen
erheblich verringern oder beseitigen, um dadurch den Flüssigbrennstoffstrom
in die Vormischerrohre 52 aufrechtzuerhalten.
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7 stellt
einen Querschnitt der in 4 dargestellten Brennstoffdüse 12 dar.
Wie vorstehend diskutiert, kann Luft in die Mini-Düsenkappe 50 durch die
ersten Fenster 54 und zweiten Fenster 56 eintreten.
Diese Figur stellt den Pfad der Luft durch die Fenster 54 und 56 zu
den Perforationen 58, durch die Perforationen 58 hindurch
und in Längsrichtung
entlang den Vormischerrohren 52 dar. Die ersten Fenster 54 leiten
Luft in den stromaufwärts
liegenden Abschnitt 55 der Mini-Düsenkappe 50, um eine
Kühlung zu
ermöglichen,
bevor die Luft in die Vormischerrohre 52 bei dem stromaufwärts liegenden
Abschnitt 57 eintritt. Mit anderen Worten, der Luftstrom
verläuft entlang
der Außenseite
der Vormischerrohre 52 in einer Stromaufwärtsrichtung 59 von
dem stromabwärts liegenden
Abschnitt 55 zu dem stromaufwärts liegenden Abschnitt 57,
bevor sie durch die Perforationen 58 in die Vormischerrohre 52 eintritt.
Auf diese Weise kühlt
der Luftstrom 59 erheblich die Brennstoffdüse 12 und
insbesondere die Vormischerrohre 52 mit einer größeren Effektivität in dem
stromabwärts
liegenden Abschnitt 55 in unmittelbare Nähe zu den
heißen Verbrennungsprodukten
in die Brennkammer 16. Die zweiten Fenster 56 ermöglichen
einen Luftstrom in die Vormischerrohre 52 näher an den
oder direkt in die Perforationen 58 bei dem stromaufwärts liegenden
Abschnitt 57 der Vormischerrohre 52. Nur zwei erste
Fenster 54 und zweite Fenster 56 sind in 7 dargestellt.
Wie es jedoch am besten in 4 zu sehen
ist, können
diese Fenster 54 und 56 entlang dem gesamten Umfang
der Mini-Düsenkappe 50 angeordnet
sein.
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In
die ersten Fenster 54 eintretende Luft kann an den stromabwärts liegenden
Abschnitt 55
der Mini-Düsenkappe 50 mittels
einer Führungs- oder
Kühlplatte 72 geleitet
werden.
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Wie
man in 7 sehen kann, verteilt die Brennstoffdüse 12 den
Luftstrom aus den ersten Fenstern 54 sowohl quer als auch
parallel zu der Längsachse
der Brennstoffdüse 12,
indem sie z. B. den Luftstrom quer über alle Vormischerrohre 52 und längsweise
in der stromaufwärts
führenden
Richtung 59 zu den Perforationen 58 hin verteilt.
Der Luftstrom 59 aus den Fenstern 54 vereint sich
schließlich
mit dem Luftstrom aus den Fenstern 56, wenn die Luftströme durch
Perforationen 58 in den Vormischerrohren 52 passieren.
Wie vorstehend erwähnt,
kühlt der Luftstrom 59 aus
den Fenstern 54 die Brennstoffdüse 12 im Wesentlichen
erheblich in dem stromabwärts liegenden
Abschnitt 55. Somit ist aufgrund der heißen Verbrennungsprodukte
in der Nähe
des stromabwärts
befindlichen Abschnittes 55 der Luftstrom 59 aus
den Fenstern 54 wärmer
als der Luftstrom aus den zweiten Fenstern 56.
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Die
ersten Fenster in der vorliegenden Ausführungsform sind angenähert doppelt
so groß wie die
zweiten Fenster 56. Diese Konfiguration kann sicherstellen,
dass die Rückseite
der Mini-Düsenkappe 50 ausreichend
gekühlt
wird, während
die Temperatur der in die Vormischerrohre 52 eintretenden
Luft abgesenkt wird. Jedoch kann das Fenstergrößenverhältnis auf der Basis spezieller
Auslegungsgesichtspunkte der Brennstoffdüse 12 variiert werden.
Ferner können
zusätzliche
Sätze von
Fenstern in weiteren Ausführungsformen
eingesetzt werden.
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Die
vereinten Luftströme
treten in die Vormischerrohre 52 durch entlang einem perforierten
Bereich 74 der Rohre 52 angeordnete (mit Pfeilen
bezeichnete) Perforationen ein. Wie vorstehend diskutiert, können Brennstoffinjektoren
Gasbrennstoff, Flüssigbrennstoff
oder eine Kombination davon in die Vormischerrohre 52 einspritzen.
Die in 7 dargestellte Konfiguration spritzt sowohl Gas-
als auch Flüssigbrennstoffe
ein. Gas kann durch die direkt unterhalb der Injektorplatte 60 in
der Endabdeckung 38 angeordneten Gänge 82 geliefert werden.
Die in 6 dargestellte gleiche Konfiguration mit drei Gängen wird
in dieser Ausführungsform
verwendet. Der erste Gang 64 befindet sich unter dem mittigen Vormischerrohr 52.
Der zweite Gang 66 umgibt den ersten Gang 64 in
einer koaxialen oder konzentrischen Anordnung und liefert Gas an
die nächsten äußeren Vormischerrohre 52.
Der dritte Gang 68 umgibt den zweiten Gang 66 in
einer koaxialen oder konzentrischen Anordnung und liefert Gas an
die äußeren Vormischerrohre 52.
Gas kann in die Vormischerrohre 52 durch die Gasbrennstoffinjektoren 61 eingespritzt
werden. In ähnlicher
Weise kann Flüssigkeit durch
die Flüssigbrennstoffpatronen 70 eingespritzt werden.
Die Flüssigbrennstoffpatronen 70 können Flüssigbrennstoff
mit einem ausreichenden Druck zum Bewirken einer Zerstäubung oder
Ausbildung von Flüssigbrennstofftröpfchen eingespritzt
werden. Der Flüssigbrennstoff
kann sich mit dem Gasbrennstoff und der Luft in dem perforierten
Bereich 74 der Vormischerrohre 52 vereinen. Eine
zusätzliche
Vermischung des Brennstoffs und der Luft kann sich in einem nicht
perforierten Bereich 76 stromabwärts von dem perforierten Bereich 74 fortsetzen.
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Die
Kombination dieser zwei Bereiche 74 und 76 kann
sicherstellen, dass eine ausreichende Vermischung von Brennstoff
und Luft vor der Verbrennung erfolgt. Beispielsweise zwingt der
nicht perforierte Bereich 76 den Luftstrom 59 weiter
stromaufwärts
zu dem stromaufwärts
befindlichen Abschnitt 57 zu strömen, um dadurch den Strömungspfad
und die Verweilzeit aller durch die Vormischerrohre 52 hindurch
tretender Luftströme
zu verlängern.
Bei dem stromaufwärts
befindlichen Abschnitt 57 treten die Luftströme sowohl
aus den stromabwärts
liegenden Fenstern 54 als auch den stromaufwärts liegenden
Fenstern 56 durch die Perforationen 56 in den
perforierten Bereich 74 hindurch und wandern dann in einer
Stromabwärtsrichtung 63 durch die
Vormischerrohre 52, bis sie in die Brennkammer 16 austreten.
Wiederum ist der Ausschluss von Perforationen 58 in den
nicht perforierten Bereich 76 dafür gedacht, die Verweilzeit
der Luftströmungen
in den Vormischerrohren 52 zu verlängern, da der nicht perforierte
Bereich 76 den Eintritt der Luftströme in die Vormischerrohre 52 vollständig blockiert
und die Luftströme
zu den Perforationen in den stromaufwärts befindlichen Bereich 74 führt. Ferner
verbessert die stromaufwärts
befindliche Positionierung der Perforationen 58 die Brennstoff/Luft-Vermischung weiter
stromaufwärts 57,
um dadurch mehr Zeit für die
Vermischung von Brennstoff und Luft vor der Einspritzung in die
Brennkammer 16 bereitzustellen. Ebenso verringert die stromaufwärts befindliche
Positionierung der Perforationen 58 erheblich Druckoszillationen
in den Fluidströmen
(z. B. Luftstrom, Gasstrom und Flüssigbrennstoffstrom), da die
Perforationen Querströme
erzeugen, um die Vermischung mit größerer Verweilzeit zur Vergleichmäßigung des
Druckes zu steigern.
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Der
durch die Gänge 62 strömende Gasbrennstoff
kann auch zur Isolation der Flüssigbrennstoffpatronen 70 und
zur Sicherstellung, dass die Flüssigbrennstofftemperatur
ausreichend niedrig bleibt und zur Verringerung der Möglichkeit
einer Verkokung dienen. Verkokung ist ein Zustand, bei dem sich
der Brennstoff unter Ausbildung von Kohlenstoffpartikeln aufzuspalten
beginnt. Diese Partikel können an
Innenwänden
der Flüssigbrennstoffpatronen 70 anhaften.
Mit der Zeit können
sich die Partikel von den Wänden
lösen und
die Spitzen der Flüssigbrennstoffpatronen 70 verstopfen.
Die Temperatur, bei welcher Verkokung auftritt, variiert abhängig von
dem Brennstoff. Jedoch kann bei typischen Flüssigbrennstoffen eine Verkokung
bei Temperaturen über
etwa 93°C
(200°F),
104°C (220°F), 116°C (240°F), 127°C (260°F), 138°C (280°F) oder 149°C (300°F) auftreten.
Wie man am besten in 7 sehen kann, sind die Flüssigbrennstoffpatronen 70 in
den Gängen 62 und
Gasbrennstoffinjektoren 61 angeordnet. Daher können die
Flüssigbrennstoffpatronen 70 vollständig von
strömendem
Gas umgeben sein. In ähnlicher Weise
kann, wenn das Turbinensystem 10 in einem Flüssigbrennstoffmodus
arbeitet, das Turbinensystem 10 Kühlluft aus dem Wärmetauscher 37 an
die Gänge 62 liefern,
um dadurch die Flüssigbrennstoffpatronen 70 mit
einem isolierenden Luftstrom zu umgeben. Der Gasbrennstoff und/oder
die Luft können dazu
dienen, den Flüssigbrennstoff
in den Flüssigbrennstoffpatronen 70 kühl zu halten,
um dadurch die Möglichkeit
einer Verkokung zu verringern.
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Nachdem
der Brennstoff und die Luft zufriedenstellend in den Vormischerrohren 52 vermischt worden
sind, kann das Gemisch gezündet
werden, was zu einer Flamme 78 stromabwärts von dem stromabwärts befindlichen
Abschnitt 55 jedes Vormischerrohres 52 führt. Wie
vorstehend diskutiert, erhitzt die Flamme 78 die Brennstoffdüse 12 aufgrund der
relativ nahen Anordnung zu dem stromabwärts befindlichen Abschnitt 55 der
Mini-Düsenkappe 50. Daher
strömt,
wie vorstehend diskutiert, Luft aus den ersten Fenstern 54 durch
den stromabwärts
befindlichen Abschnitt 55 der Mini-Düsenkappe 50, um im Wesentlichen
die Kappe 50 der Brennstoffdüse 12 zu kühlen.
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Die
Anzahl der in Betrieb befindlichen Vormischerrohre 52 kann
auf der Basis einer gewünschten Turbinensystemausgangsleistung
variiert werden. Beispielsweise kann während eines Normalbetriebs jedes
Vormischerrohr 52 in der Mini-Düsenkappe 50 arbeiten,
um eine angemessene Vermischung von Brennstoff und Luft für einen
speziellen Turbinenleistungspegel zu erzeugen. Jedoch kann, wenn
das Turbinensystem 10 in einen Betriebsabschaltmodus eintritt,
die Anzahl der arbeitenden Vormischerrohre 52 abnehmen.
Wenn eine Turbine in einem Abschalt- oder Niedrigleistungsbetrieb
eintritt, kann der Brennstoffstrom zu den Brennkammern 16 bis
zu dem Punkt abnehmen, an dem die Flamme 78 erlischt. Ebenso
kann unter Niedriglastbedingungen die Temperatur der Flamme 78 abnehmen,
was zu erhöhten Emissionen
von Stickstoffoxiden (NOx) und Kohlenmonoxid
(CO) führt.
Um die Flamme 78 zu erhalten und sicherzustellen, dass
das Turbinensystem 10 innerhalb zulässiger Emissionsgrenzwerte
arbeitet, kann die Anzahl von Vormischerrohren 52, die
mit einer Brennstoffdüse 12 arbeiten,
abnehmen. Beispielsweise kann der äußere Ring der Vormischerrohre 52 durch
Unterbrechung des Brennstoffstroms zu den äußeren Flüssigbrennstoffpatronen 70 deaktiviert
werden. Ebenso kann der Strom des Gasbrennstoffes zu dem dritten
Gang 68 unterbrochen werden. Auf diese Weise kann die Anzahl
der in Betrieb befindlichen Vormischerrohre 52 verringert
werden. Demzufolge kann die von den restlichen Vormischerrohren 52 erzeugte
Flamme 78 auf einer ausreichenden Temperatur gehalten werden,
um sicherzustellen, dass sie nicht erlischt und dass Emissionswerte innerhalb
zulässiger
Parameter liegen.
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Zusätzlich kann
die Anzahl von Vormischerrohren 52 in jeder Mini-Düsenkappe 50 auf
der Basis von Auslegungsgesichtspunkten des Turbinensystems 10 variieren.
Beispielsweise können
größere Turbinensysteme 10 eine
größere Anzahl
von Vormischerrohren 52 in jeder Brennstoffdüse 12 verwenden.
Während
die Anzahl von Vormischerrohren 52 variieren kann, kann
die Größe und Form
der Mini-Düsenkappe 50 für jede Anwendung
dieselbe sein. Mit anderen Worten, Turbinensysteme 10,
die höhere
Brennstoffdurchsätze
verwenden, können
Mini-Düsenkappen 50 mit
einer höheren
Dichte von Vormischerrohren 52 einsetzen. Auf diese Weise können Baukosten
des Turbinensystems 10 verringert werden, da eine gemeinsame
Mini-Düsenkappe 50 für die meisten
Turbinensysteme 10 verwendet werden kann, während die
Anzahl von Vormischerrohren 52 in jeder Kappe 50 variieren
kann. Dieses Herstellungsverfahren kann preisgünstiger als eine Auslegung
spezieller Brennstoffdüsen 12 für jede Anwendung
sein.
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8 ist
eine Seitenansicht eines Vormischerrohres 52, das in der
Brennstoffdüse 12 von 4 verwendet
werden kann. Wie man in 8 sehen kann, ist das Vormischerrohr 52 in
den perforierten Bereich 74 und den nicht perforierten
Bereich 76 unterteilt. In der dargestellten Ausführungsform
ist der perforierte Bereich 74 stromaufwärts von
dem nicht perforierten Bereich 76 positioniert. In dieser Konfiguration
kann sich in die Perforation 58 strömende Luft mit durch die Basis
des Vormischerrohres 52 über einen (nicht dargestellten)
Brennstoffinjektor eintretenden Brennstoff vermischen. Der sich
vermischende Brennstoff und die Luft können dann in den nicht perforierten
Abschnitt 76 eintreten, wo eine zusätzliche Vermischung erfolgen
kann.
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Luft-
und Brennstoffdrücke
schwanken typischerweise in einer Gasturbine. Diese Schwankungen
können
eine Brennkammeroszillation bei einer speziellen Frequenz auslösen. Wenn
diese Frequenz einer Eigenfrequenz eines Teils oder Subsystems in der
Turbine entspricht, kann sich eine Beschädigung an diesem Teil oder
der gesamten Turbine ergeben. Eine Verlängerung der Verweilzeit der
Luft und des Brennstoffs in dem Vermischungsabschnitt der Brennkammer 16 kann
von der Brennkammer ausgelöste
Oszillationen verringern. Beispielsweise kann, wenn der Luftdruck
zeitlich schwankt, eine längere Brennstofftröpfchen-Verweilzeit
eine Ausmittelung von Luftdruckschwankungen ermöglichen. Insbesondere kann,
wenn das Tröpfchen
wenigstens einen vollständigen
Zyklus der Luftdruckschwankung vor der Verbrennung durchmacht, das
Mischungsverhältnis
dieses Tröpfchens
im Wesentlichen ähnlich
dem anderer Tröpfchen
in dem Brennstoffstrom sein. Die Einhaltung eines im Wesentlichen
konstanten Mischverhältnisses
kann von der Brennkammer ausgelöste Oszillationen
verringern.
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Die
Verweilzeit kann durch Vergrößern der Länge des
Mischabschnittes der Brennkammer 16 verlängert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform
entspricht der Mischabschnitt der Brennkammer 16 den Vormischerrohren 52.
Daher ist, je länger
die Vormischerrohre 52 sind, die Verweilzeit sowohl für Luft als
auch Brennstoff länger.
Beispielsweise kann das Längen/Durchmesser-Verhältnis jedes
Rohres 52 angenähert
5 bis 20, 10 bis 20 oder etwa 10 sein.
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Der
nicht perforierte Bereich 76 kann dazu dienen, die Länge des
Vormischerrohres 52 zu vergrößern, ohne zuzulassen, dass
sich zusätzliche
Luft mit dem Brennstoff vermischt. In dieser Konfiguration können sich
die Luft und der Brennstoff weiter vermischen, nachdem die Luft
durch die Perforationen 58 eingespritzt worden ist, und
somit die von der Brennkammer ausgelösten Oszillationen verringern.
In bestimmten Ausführungsformen
kann die Länge
des perforierten Bereiches 74 in Bezug auf die Länge des nicht
perforierten Bereiches 76 wenigstens größer als angenähert 2,
2,5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 5,5, 6, 6,5, 7, 7,5, 8, 8,5, 9, 9,5 oder
10 sein. In einer Ausführungsform
kann die Länge
des perforierten Bereiches 74 angenähert 80% der Länge des
Vormischerrohres 52 (z. B. 20,3 cm (8 inches)) sein, während die
Länge des
nicht perforierten Bereiches 76 angenähert 20% der Länge des
Rohres 52 (z. B. 5,1 cm (2 inches)) sein kann. Jedoch können die
Längenverhältnisse oder
Prozentsätze
zwischen den Bereichen 74 und 76 abhängig von
den Durchsätzen
und anderen Auslegungsgesichtspunkten, z. B. der gewünschten
Vermischung und/oder gewünschten
Betriebsfähigkeit variieren.
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Die
Verweilzeit kann auch durch Verlängerung
der effektiven Pfadlänge
von Fluidströmen
(z. B. Brennstofftröpfchen)
durch die Vormischerrohre 52 verlängert werden. Insbesondere
kann Luft in die Vormischerrohre 52 in einer Drallbewegung
eingespritzt werden. Diese Drallbewegung kann die Tröpfchen veranlassen,
entlang einem nicht linearen Pfad (z. B. einem zufälligen Pfad
oder auf einem spiralförmigen
Pfad) durch die Vormischerrohre 52 zu wandern, um dadurch
wirksam die Tröpfchenpfadlänge zu vergrößern. Der
Drallanteil kann auf der Basis einer gewünschten Verweilzeit variieren.
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Der
radiale Einströmungsdrall
kann auch dazu dienen, die Flüssigbrennstofftröpfchen von
den Innenwänden
der Vormischerrohre 52 fernzuhalten. Wenn die Flüssigkeitströpfchen an
den Wänden
anhaften, verbleiben sie für
eine längere
Zeitdauer in den Rohren 52, was die Verbrennung verzögert. Daher
kann die Sicherstellung, dass die Tröpfchen die Vormischerrohre 52 korrekt
verlassen, den Wirkungsgrad des Turbinensystems 10 erhöhen.
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Zusätzlich kann
der Drall der Luft in den Vormischerrohren 52 die Zerstäubung der
Flüssigbrennstofftröpfchen verbessern.
Der Drall der Luft kann die Tröpfchenbildung
verbessern und die Tröpfchen
im Wesentlichen gleichmäßig durch
das gesamte Vormischerrohr 52 verteilen. Demzufolge kann
der Wirkungsgrad des Turbinensystems 10 weiter verbessert
werden.
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Wie
vorstehend diskutiert, kann Luft in die Vormischerrohre 52 durch
die Perforationen 58 eintreten. Diese Perforationen 58 können in
einer Serie konzentrischer Kreise an unterschiedlichen axialen Positionen
entlang dem Verlauf der Vormischerrohre 52 angeordnet sein.
In bestimmten Ausführungsformen
kann jeder konzentrische Kreis 24 Perforationen haben,
wobei der Durchmesser jeder Perforation angenähert 1,27 mm (0,05 inches)
beträgt.
Die Anzahl und Größe der Perforationen 58 kann
variieren. Beispielsweise können
Vormischerrohre 52 große
tränenförmige Perforationen 77 enthalten,
die dafür
eingerichtet sind, eine verbesserte Luftdurchdringung und Vermischung
zu erzeugen. Zusätzlich
können mittelgroße schlitzförmige Perforationen 79 zu
dem stromabwärts
liegenden Ende der Vormischerrohre 52 hin angeordnet sein,
um einen hohen Drallgrad zu erzeugen. Die Perforationen 58 können in
einem Winkel entlang einer Ebene senkrecht zu der Längsachse
des Vormischerrohres 52 angeordnet sein. Die winklig angeordneten
Perforationen 58 können
einen Drall bewirken, dessen Größe von dem
Winkel jeder Perforation 58 abhängen kann.
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Die 9, 10 und 11 sind
vereinfachte Querschnittsansichten des Vormischerrohres 52 entlang
Linien 9-9, 10-10 und 11-11 von 8, welche
die winklige Ausrichtung der Perforationen 58 an unterschiedlichen
axialen Positionen entlang dem Verlauf des Rohres 52 darstellen.
Beispielsweise ist ein Winkel 80 zwischen den Perforationen 58 und
der radialen Achse 81 in 9 dargestellt.
Ebenso ist ein Winkel 82 zwischen Perforationen 58 und
der radialen Achse 83 in 10 dargestellt.
Die Winkel 80 und 82 können in einem Bereich zwischen
etwa 0 bis 90 Grad, 0 bis 60 Grad, 0 bis 45 Grad, 0 bis 30 Grad oder
0 bis 15 Grad liegen. Beispielsweise können die Winkel 80 und 82 etwa
5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 oder 45 Grad haben oder ein beliebiger
Winkel dazwischen sein.
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In
bestimmten Ausführungsformen
kann der Winkel der Perforationen 58 an jeder durch die
Linien 9-9, 10-10 und 11-11 repräsentierten
axialen Stelle sowie an anderen axialen Positionen im Verlauf des Rohres 52 derselbe
sein. Jedoch kann in der dargestellten Ausführungsform der Winkel der Perforationen 58 entlang
dem Verlauf des Rohres 52 variieren. Beispielsweise kann
der Winkel allmählich
zunehmen, abnehmen, in der Richtung wechseln oder eine Kombination
davon sein. Beispielsweise ist der Winkel 80 der in 9 dargestellten
Perforationen 58 größer als
der Winkel 82 der in 10 dargestellten Perforationen 58.
Daher kann der durch die Perforationen in 9 bewirkte
Drallgrad größer als
der durch die Perforationen 58 in 10 bewirkte
Drallgrad sein.
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Der
Drallgrad kann entlang dem Verlauf des perforierten Abschnittes 74 des
Vormischerrohres 52 variieren. Das in 8 dargestellte
Vormischerrohr 52 hat keinen Drall in dem unteren Abschnitt
des perforierten Bereiches 74, einen mäßigen Drallgrad in dem mittleren
Abschnitt und einen hohen Drallgrad in dem oberen Abschnitt. Diese
Drallgrade kann man in den 11, 10 bzw. 9 sehen.
In dieser Ausführungsform
nimmt der Drallgrad der Brennstoffströmungen in der Stromabwärtsrichtung
durch das Vormischerrohr 52 zu.
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In
weiteren Ausführungsformen
kann der Drallgrad entlang dem Verlauf des Vormischerrohres 52 abnehmen.
In weiteren Ausführungsformen
können
Abschnitte des Vormischerrohres 52 der Luft einen Drall
in einer Richtung verleihen, während
andere Abschnitte der Luft einen Drall im Wesentlichen in entgegengesetzter
Richtung verleihen können. Ebenso
können
sowohl der Drallgrad als auch die Richtung des Dralls entlang dem
Verlauf der Vormischerrohre 52 variieren.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform kann
die Luft sowohl in einer radialen als auch axialen Richtung geführt werden.
Beispielsweise können die
Perforationen 58 einen zusammengesetzten Winkel in den
Vormischerrohren 52 ausbilden. Mit anderen Worten, die
Perforationen 58 können
sowohl in radialer als auch axialer Richtung in einem Winkel angeordnet
sein. Beispielsweise kann der axiale Winkel (d. h., der Winkel zwischen
Perforationen 58 und der Längsachse 84) in einem
Bereich von etwa 0 bis 90 Grad, 0 bis 60 Grad, 0 bis 45 Grad, 0
bis 30 Grad oder 0 bis 15 Grad liegen. Des Weiteren kann der axiale
Winkel beispielsweise etwa 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 oder 45
Grad haben oder ein beliebiger Winkel dazwischen sein. Perforationen 58 mit
zusammengesetztem Winkel können
Luft einem Drall sowohl in einer Ebene senkrecht zu der Längsachse der
Vormischerrohre 52 als auch eine Strömungsrichtung in axialer Richtung
verleihen. Die Luft kann entweder stromabwärts oder stromaufwärts zu der Brennstoffströmungsrichtung
geführt
werden. Eine Stromabwärtsströmung kann
die Zerstäubung
verbessern, während
eine Stromaufwärtsströmung eine bessere
Vermischung des Brennstoffs und der Luft erzeugen kann. Die Größe und Richtung
der axialen Komponente des Luftstroms kann auf der Basis einer axialen
Position entlang dem Verlauf der Vormischerrohre 52 variieren.
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12 ist
eine perspektivische Ansicht einer in einem Gasbrennstoffinjektor 61 angeordneten Flüssigbrennstoffpatrone 70.
Wie vorstehend diskutiert, ist die Baugruppe Flüssigbrennstoffpatrone 70/Gasinjektor 61 in
einem entsprechenden Vormischerrohr 52 angeordnet und dafür eingerichtet, Flüssig- und/oder
Gasbrennstoff zur Verbrennung zu liefern. Der Gasbrennstoffinjektor 61 enthält eine
Basis 86, einen Flansch 88 und einen konisch geformten
Körper 90.
Die Basis 86 ist dafür
eingerichtet, jeweils Flüssig-
und/oder Gasbrennstoff aus Brennstoffzuführungen 14 und/oder 15 aufzunehmen.
Der Flansch 88 ist dafür
eingerichtet, den Gasbrennstoffinjektor 61 an der Endabdeckung 38 zu
befestigen und eine Dichtung zwischen dem Gasbrennstoffinjektor 61 und
einem entsprechenden Gang 62 bereitzustellen. Der Körper 90 enthält einen
Düsenabschnitt 92 mit
verschiedenen Öffnungen
für Luft-
und Brennstoffeinspritzung. Beispielsweise können bestimmte Ausführungsformen
eine erste Öffnung
für eine
Flüssigbrennstoffeinspritzung,
eine zweite Öffnung,
die um die erste Öffnung herum
angeordnet und für
die Einspritzung von Gasbrennstoff und/oder Luft eingerichtet ist,
und eine dritte Öffnung,
die radial gegenüber
den ersten und zweiten Öffnungen
versetzt und dafür
eingerichtet ist, Gasbrennstoff und/oder Luft einzuspritzen, enthalten.
Gemäß Darstellung
enthält die
Spitze 92 eine zweite oder zentrale Gas/Luft-Öffnung 94,
Verdichterluftöffnungen 96 und
dritte oder radiale Gas/Luft-Öffnungen 98.
Die dargestellte Ausführungsform
enthält
acht Verdichterluftöffnungen 96.
Alternative Ausführungsformen
können
mehr oder weniger Öffnungen 96 enthalten.
Beispielsweise können
bestimmte Ausführungsformen 12, 14, 16, 18 oder
mehr Verdichterluftöffnungen 96 enthalten. Wie
nachstehend im Detail diskutiert, enthält der Körper 90 Kanäle, die
für die
Aufnahme von Luft aus dem Verdichter 22 und für die Führung der
Luft zu den Öffnungen 98 eingerichtet
sind. Die durch die Öffnungen 96 strömende Luft
kann sich mit der Luft vereinen, die durch die Perforationen 58 in
den Vormischerrohren 52 hindurchtritt und sich mit dem
eingespritzten Gas- und/oder Flüssigbrennstoff
vermischen. Da die Luft aus den Verdichterluftöffnungen 96 im Wesentlichen
entlang der Längsachse 84 eingespritzt
wird, kann die Luft eine Strömung
im Wesentlichen in der Stromabwärtsrichtung 63 erzeugen.
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Die Öffnungen 94 und 98 können dafür eingerichtet
sein, Gasbrennstoff und/oder Luft in die Vormischerrohre 52 zu
liefern. Wie nachstehend im Detail diskutiert, erstrecken sich wählbare Strömungskanäle zu den Öffnungen 94 und 98 hin.
Die wählbaren
Strömungskanäle sind
dafür eingerichtet,
Gasbrennstoff zu den Öffnungen 94 und 98 zu
transportieren, wenn das Turbinensystem 10 in einem Gasbrennstoffmodus
arbeitet, Luft zu den Öffnungen 94 und 98 zu
transportieren, wenn das Turbinensystem 10 in einem Flüssigbrennstoffmodus
arbeitet, und eine Kombination von Luft und Gasbrennstoff zu den Öffnungen 94 und 98 zu
transportieren, wenn das Turbinensystem 10 in einem Übergangsmodus
arbeitet Wie vorstehend diskutiert, kann die Luft den wählbaren
Strömungskanälen mittels
des Verdichters 35 und Wärmetauschers 37 zugeführt werden.
Der durch die wählbaren
Strömungskanäle strömende Gasbrennstoffstrom
und/oder Luftstrom können
dazu dienen, den Flüssigbrennstoff
in der Flüssigbrennstoffpatrone 70 gegenüber den
heißen
Verbrennungsgasen zu isolieren. Zusätzlich kann der Luftstrom durch
die zentrale Öffnung 94 während Perioden
eines Flüssigbrennstoffbetriebs
dazu dienen, die Zerstäubung
von aus der Flüssigbrennstoffpatrone 70 austretendem
Flüssigbrennstoff
zu verbessern. Insbesondere kann die Wechselwirkung zwischen dem
Flüssigbrennstoff
und der umgebenden Hochdruckluft bewirken, dass die Flüssigkeit
in Tröpfchen zerlegt
wird. Ferner kann ein Teil der Energie aus der Luft auf den Flüssigbrennstoff übertragen
werden, was die Geschwindigkeit der Flüssigkeitströpfchen erhöht. Da die Tröpfchengeschwindigkeit
eine Funktion des Luftstromdurchsatzes ist, kann diese Zerstäubungskonfiguration
dem Turbinensystem 10 ermöglichen, die Tröpfchengeschwindigkeit
unabhängig
von einem Flüssigbrennstoffdurchsatz
zu variieren. Daher kann eine zufriedenstellende Zerstäubung über einen
Bereich von Turbinenbetriebsbedingungen hinweg erzielt werden. Zusätzlich kann
eine Spitze 99 der Flüssigbrennstoffpatrone
in Umfangsrichtung in Abstand angeordnete Längsnuten 100 enthalten,
die dafür
eingerichtet sind, den Luftstrom durch die Öffnung 94 zu leiten,
um dadurch die Zerstäubung
des Flüssigbrennstoffs
in Tröpfchen
zu verbessern.
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13 ist
eine Draufsicht auf die in dem Gasbrennstoffinjektor 61 angeordnete
Flüssigbrennstoffpatrone 70.
Wie dargestellt, sind die Verdichterluftöffnungen 96 radial
gegenüber
der Gas/Luft-Öffnung 94 versetzt
und in Abstand um die Spitze 92 in einer ersten Umfangsanordnung
angeordnet. Die radialen Gas/Luft-Öffnungen 98 sind ebenfalls
gegenüber
der zentralen Gas/Luft-Öffnung 94 versetzt
und um die Spitze 92 in einer zweiten Umfangsanordnung in
Abstand angeordnet. Die vorliegende Ausführungsform enthält acht
Gas/Luft-Öffnungen 98,
die jeweils in Umfangsrichtung in der Mitte zwischen den Verdichterluftöffnungen 96 positioniert
sind. Alternative Ausführungsformen
können
mehr oder weniger Öffnungen 98 enthalten.
Beispielsweise können
bestimmte Ausführungsformen
12, 14, 16, 18 oder mehr Gas/Luft-Öffnungen 98 enthalten.
Zusätzlich
kann die Umfangsanordnung der Verdichterluftöffnungen 96 und/oder
radialen Gas/Luft-Öffnungen 98 in
weiteren Ausführungsformen
variieren. Ferner ist ein Außendurchmesser 102 der
Flüssigbrennstoffpatrone 70 kleiner
als der Innendurchmesser 104 der zentralen Gas/Luft-Öffnung 94.
Da die Flüssigbrennstoffpatrone 70 im
Wesentlichen in der Öffnung 94 zentriert ist,
ergibt sich ein Spalt 106 (z. B. ringförmiger Raum) zwischen der Flüssigbrennstoffpatrone 70 und
der Öffnung 94.
Luft aus dem Wärmetauscher 37 und/oder
Gasbrennstoff, die zu der Öffnung 94 strömen, können den
Gasbrennstoffinjektor 61 durch den Spalt 106 verlassen.
Wie bekannt, kann die Breite dieses Spaltes 106 den Durchsatz
und/oder die Geschwindigkeit der durch die zentrale Öffnung 94 strömenden Luft
und/oder des Gasbrennstoffes beeinflussen. Daher können Strömungseigenschaften
des Gasbrennstoffes und/oder der Luft durch Veränderung des Durchmessers 104 der Öffnung 94 und/oder des
Durchmessers 102 der Flüssigbrennstoffpatrone 70 angepasst
werden. Beispielsweise kann eine Flüssigbrennstoffpatrone 70 aus
einem Satz von Patronen 70 ausgewählt werden, wovon jede einen
anderen Durchmesser 102 hat, um eine effektive Zerstäubung für einen
speziellen Flüssigbrennstoff
(z. B. einen Flüssigbrennstoff
mit einer speziellen Viskosität)
bereitzustellen.
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Ebenso
kann die Anzahl und/oder Konfiguration der Nuten 100 auf
der Basis der gewünschten Luft
und/oder Gasbrennstoffeigenschaften angepasst werden. Beispielsweise
kann die durch die zentrale Öffnung 94 strömende Luftmenge
während
Perioden eines Flüssigbrennstoffbetriebs
durch Variieren der Anzahl der Nuten 100 angepasst werden.
Obwohl vier Nuten 100 in der vorliegenden Ausführungsform
enthalten sind, können
mehr oder weniger Nuten 100 in alternativen Ausführungsformen
verwendet werden. Beispielsweise können bestimmte Ausführungsformen
6, 8, 10, 12 oder mehr Nuten 100 enthalten. Zusätzlich kann
eine radiale Abmessung 108 der Nuten 100 und/oder
eine Umfangsabmessung 110 der Nuten 100 in alternativen
Ausführungsformen
variiert werden, um einen gewünschten Strom
von Gasbrennstoff und/oder Luft in die Vormischerrohre 52 zu
erzeugen. In bestimmten Ausführungsformen
kann eine spezielle Flüssigbrennstoffpatrone 70 aus
einem Satz von Flüssigbrennstoffpatronen
ausgewählt
werden, wobei jede eine andere Anzahl und/oder Konfiguration der
Nuten 100 hat.
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14 ist
eine Querschnittsseitenansicht der in dem Gasbrennstoffinjektor 61 angeordneten Flüssigbrennstoffpatrone 70 entlang
der Linie 14-14 von 13. Gemäß Darstellung enthält die Flüssigbrennstoffpatrone 70 einen
Flüssigbrennstoffkanal 112,
der dafür
eingerichtet ist, Flüssigbrennstoff
zu der Spitze 99 strömen
zu lassen. Wie nachstehend im Detail diskutiert, enthält die Spitze 99 Flüssigbrennstofföffnungen,
die dafür
eingerichtet sind, Flüssigbrennstoff
an die Vormischerrohre 52 zu liefern. Der Gasbrennstoffinjektor 61 enthält einen wählbaren
Strömungskanal 114,
der dafür
eingerichtet ist, Luft und/oder Gasbrennstoff zu einer Reihe von
Zwischenströmungskanälen 116 strömen zu lassen.
Die Zwischenströmungskanäle 116 erstrecken sich
jeweils zu einer entsprechenden Öffnung 98,
die dafür
eingerichtet ist, Gasbrennstoff und/oder Luft an das Vormischerrohr 52 zu
liefern. Zusätzliche
erstreckt sich der wählbare
Strömungskanal 114 zu
der zentralen Öffnung 96 (z.
B. einem ringförmigen
Zwischenraum oder Spalt 106), um dem Flüssigbrennstoffstrom Zerstäubungsluft
während
Perioden eines Flüssigbrennstoffbetriebs
und dem Vormischerrohr 52 Gasbrennstoff während Perioden
eines Gasbrennstoffbetriebs zuzuführen. Somit wird der Strom der
Zerstäubungsluft
und/oder des Gasbrennstoffs aus dem wählbaren Strömungskanal 114 zwischen den Öffnungen 98 und
der zentralen Öffnung 94 (z.
B. dem Spalt 106) aufgeteilt. Gemäß Darstellung ist jeder Zwischenströmungskanal 116 in
einem Winkel 118 in Bezug auf die Längsachse 84 ausgerichtet. Der
Winkel 118 kann insbesondere dafür eingerichtet sein, ein Strömungsmuster
in dem Vormischerrohr 52 aufzubauen, um eine einwandfreie
Vermischung von Brennstoff und Luft zu ermöglichen. Beispielsweise kann
der Winkel 118 angenähert
zwischen 0 bis 90 Grad, 10 bis 80 Grad, 20 bis 70 Grad, 30 bis 60
Grad, 40 bis 50 Grad oder 45 Grad betragen. In weiteren Ausführungsformen
kann der Winkel 118 größer als angenähert 60
Grad sein. Ferner kann ein Durchmesser 119 von jedem Zwischenströmungskanal 116 dafür eingerichtet
sein, einen gewünschten
Durchsatz des Gasbrennstoffes und/oder der Luft in das Vormischerrohr 52 zu
erzeugen. Zusätzlich
kann der Durchmesser 119 der Zwischenströmungskanäle 116 angepasst
werden, um den Gasbrennstoff und/oder den Luftstrom aus der zentralen Öffnung 94 zu
variieren. Beispielsweise kann eine Verringerung des Durchmessers 119 den
Strom durch die radialen Öffnungen 98 einschränken und
den Strom durch die zentrale Öffnung 94 vergrößern. In
der vorliegenden Ausführungsform
ist der Durchmesser 119 angenähert 50% des Durchmessers 104 der
zentralen Gas/Luft-Öffnung 94.
In weiteren Ausführungsformen kann
der Durchmesser 119 größer als
angenähert 10%,
20%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100% oder noch größer als
der Durchmesser 104 der zentralen Öffnung 94 sein.
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Gemäß Darstellung
ist der Flüssigbrennstoffkanal 112 in
dem wählbaren
Brennstoffkanal 114 angeordnet. Zusätzlich ist die Spitze 99 der
Flüssigbrennstoffpatrone 70 in
der zentralen Öffnung 94 des Gasbrennstoffinjektors 61 angeordnet.
In dieser Konfiguration ist der Flüssigbrennstoff in der Patrone 70 von
Gasbrennstoff und/oder Luft bis zu der Spitze 99 der Flüssigbrennstoffpatrone 70 umgeben.
Diese Konfiguration kann eine wirksame thermische Isolation (Wärmeisolation
oder Kühlung)
zwischen den heißen
Verbrennungsgasen und dem Flüssigbrennstoff bereitstellen,
um dadurch eine Verkokung im Wesentlichen zu verringern oder zu
beseitigen. Beispielsweise kann während Perioden eines Flüssigbrennstoffbetriebs
gekühlte
Luft aus dem Wärmetauscher 37 durch
den wählbaren
Strömungskanal 114 strömen und
die zentrale Öffnung 94 (z.
B. den Ringraum oder Spalt 106) verlassen, um dadurch den Flüssigbrennstoff
mit wärmeisolierender
Luft zu umgeben. Ebenso kann während Übergangsperioden Gasbrennstoff
und/oder Luft die Wärmeisolation
bereitstellen. Beispielsweise kann, wenn das Turbinensystem 10 in
einem Flüssigbrennstoffmodus
arbeitet, und ein Übergang
auf einen Gasbrennstoffmodus gewünscht
ist, der Luftstrom durch den wählbaren
Strömungskanal 114 reduziert
werden, während
gleichzeitig ein Durchsatz des Gasbrennstoffes allmählich vergrößert wird.
Während
dieser Periode kann die Kombination von Gasbrennstoff und Luft eine
ausreichende Wärmeisolation
für den
Flüssigbrennstoff
bereitstellen, um eine Verkokung im Wesentlichen zu verringern oder
zu beseitigen. Sobald eine gewünschte
Gasbrennstoffstromrate erzielt ist und der Luftstrom durch die wählbaren
Strömungskanäle 114 beendet
worden ist, kann die Flüssigstromrate
allmählich
reduziert werden, bis der Flüssigstrom
beendet ist. Während
der Periode einer Flüssigbrennstoffreduzierung
kann der Gasbrennstoff eine effektive Wärmeisolation bereitstellen,
um eine Verkokung des Flüssigbrennstoffs
erheblich zu verringern oder zu beseitigen. Umgekehrt kann, wenn
das Turbinensystem 10 in einem Gasbrennstoffmodus arbeitet
und ein Übergang
zu einem Flüssigbrennstoffmodus
gewünscht
ist, ein Durchsatz des Flüssigbrennstoffs durch den
Flüssigbrennstoffkanal 112 allmählich erhöht werden,
bis der Flüssigbrennstoff
mit dem gewünschten
Durchsatz strömt.
Während
dieser Periode kann der Gasbrennstoff die Isolation bereitstellen. Sobald
ein gewünschter
Flüssigbrennstoffdurchsatz erreicht
ist, kann der Gasbrennstoffdurchsatz verringert werden, während der
Luftstrom durch den wählbaren
Strömungskanal 114 erhöht wird,
bis der Gasbrennstoffstrom beendet ist. Der Luftstrom kann dazu dienen,
den Gasbrennstoff aus dem wählbaren
Strömungskanal 114 und
den Zwischenströmungskanälen 114 zu
spülen.
Während
dieser Übergangsperiode
kann die Kombination von Gasbrennstoff und Luft dazu dienen, den
Flüssigbrennstoff
gegenüber
den heißen
Verbrennungsgasen zu isolieren. Daher kann der wählbare Strömungskanal 114 eine
effektive Wärmeisolation
für den
Flüssigbrennstoff
während jeder
Phase des Turbinensystembetriebs bereitstellen, um dadurch eine
Verkokung im Wesentlichen zu verringern oder zu beseitigen.
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Ferner
kann der während
Perioden eines Flüssigbrennstoffbetriebs
von dem Wärmetauscher 37 bereitgestellte
Kühlluftstrom
zur Verringerung von Emissionen dienen. In bestimmten Ausführungsformen
kann der Kühlluftstrom
Emissionen von Abgasen auf Werte unter Vorschriftsgrenzwerten verringern,
ohne ein teueres und komplexes Wasserinjektionssystem einzusetzen.
Bestimmte Gasturbinensysteme 10 können ein Wasserinjektionssystem während Perioden
eines Flüssigbrennstoffbetriebs zum
Reduzieren von Schwefeloxiden (SOx), Stickstoffoxiden
(NOx) und/oder Kohlenmonoxid (CO) neben
weiteren Emissionen betreiben. Wasserinjektionssysteme spritzen
typischerweise Wasser in die Brennkammer 16 durch die Brennstoffdüse 12 zum Reduzieren
von Verbrennungstemperaturen ein. Die verringerten Temperaturen
können
die Emissionen von Vorschriften unterliegenden Abgasen verringern. Jedoch
verwenden Wasserinjektionssysteme typischerweise verschiedene Pumpen,
Ventile, Steuerungen und Verteiler, um dem Turbinensystem 10 Wasser
zuzuführen.
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Derartige
Konfigurationen sind im Allgemeinen komplex und teuer herzustellen
und instand zu halten. Zusätzlich
kann die Lieferung großer
Mengen an Wasser an das Turbinensystem 10 die Betriebskosten
erhöhen.
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Die
vorliegenden Ausführungsformen
können
Verbrennungstemperaturen durch Einspritzen eines Kühlluftstroms
aus dem Wärmetauscher 37 verringern.
Wie vorstehend diskutiert, kann die Temperatur der Luft aus dem
Wärmetauscher 37 niedriger als
die Verkokungstemperatur des Flüssigbrennstoffs,
z. B. etwa 138°C
(280°F),
sein. Die Einspritzung dieser Kühlluft
kann die Temperatur des Verbrennungsprozesses dergestalt verringern,
dass Abgasemissionen unter Vorschriftsgrenzwerte ohne den Einsatz
eines Wasserinjektionssystems abgesenkt werden. Ferner kann die
zusätzliche
Luft zu einem mageren Brennstoff/Luft-Gemisch führen. Wie bekannt, können magere
Gemische kühlere
Verbrennungsprodukte im Vergleich zu einem idealen (z. B. stöchiometrischen)
Brennstoff/Luft-Verhältnis
erzeugen. Die Kombination des magereren Brennstoffverhältnisses
und der Einspritzung von Kühlluft
kann die Verbrennungstemperaturen absenken und die Emissionen verringern
und dadurch die Verwendung eines Wassereinspritzsystems vermeiden.
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15 ist
eine detaillierte Querschnittsseitenansicht der in dem Gasbrennstoffinjektor 61 angeordneten
Flüssigbrennstoffpatrone 70 entlang
der Linie 15-15 von 14. Wie dargestellt, enthält der Flüssigbrennstoffkanal 112 einen
konvergierenden Bereich 120 (d. h., konvergierend in Bezug
auf die Stromabwärtsrichtung 63)
und einen Brennstoffverteilungsknoten 122. Ein Durchmesser 124 des
Flüssigbrennstoffkanals 112 ist
größer als
ein Durchmesser 126 des Brennstoffverteilungsknotens 122.
Daher kann, wie bekannt, eine Geschwindigkeit des durch den Flüssigbrennstoffkanal 112 strömenden Brennstoffes
durch den konvergierenden Bereich 120 hindurch zunehmen,
um dadurch den Brennstoffverteilungsknoten 122 mit Brennstoff
höherer
Geschwindigkeit zur Zerstäubung
zu versorgen. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Durchmesser 124 des
Flüssigbrennstoffkanals 122 angenähert doppelt
so groß wie
der Durchmesser 126 des Brennstoffverteilungsknotens 122.
In alternativen Ausführungsformen
kann das Verhältnis
des Durchmessers 124 zu dem Durchmesser 126 größer als
1, 1,2, 1,4, 1,6, 1,8, 2,2, 2,4, 26, 28, 3 oder mehr sein. In bestimmten
Ausführungsformen
kann eine Flüssigbrennstoffpatrone 70 mit
einem speziellen Verhältnis des
Durchmessers 124 zum Durchmesser 126 aus einem
Satz von Patronen 70 mit variierenden Verhältnissen
ausgewählt
werden. Auf diese Weise kann eine geeignete Flüssigbrennstoffpatrone 70 ausgewählt werden,
um eine gewünschte
Flüssigbrennstoffgeschwindigkeit
in dem Verteilungsknoten 122 auf der Basis der Eigenschaften
(z. B. Viskosität)
des von der Flüssigbrennstoffzuführung 15 gelieferten speziellen
Flüssigbrennstoffs
ausgewählt
werden.
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Der
Brennstoffverteilungsknoten 122 lässt den Flüssigbrennstoff zu ersten oder
Flüssigbrennstofföffnungen 128 in
der Spitze 92 der Flüssigbrennstoffpatrone 70 strömen. Die
vorliegende Ausführungsform
enthält
vier Flüssigbrennstofföffnungen 128,
die in der Stromabwärtsrichtung 63 divergieren. Jedoch
können
alternative Ausführungsformen
mehrere oder weniger Flüssigbrennstofföffnungen 128 enthalten.
Beispielsweise können
bestimmte Ausführungsformen
6, 7, 8, 9, 10 oder mehr Flüssigbrennstofföffnungen 128 enthalten.
In bestimmten Ausführungsformen
kann eine Flüssigbrennstoffpatrone 70 mit
einer speziellen Anzahl von Flüssigbrennstofföffnungen 128 aus
einem Satz von Patronen 70 mit variierenden Anzahlen von
Flüssigbrennstofföffnungen 128 ausgewählt werden,
um dadurch eine geeignete Flüssigbrennstoffströmung für einen
vorgegebenen Brennstoff zu erzeugen. In weiteren Ausführungsformen
können
die Flüssigbrennstofföffnungen 128 ein spiralförmiges Muster
ausbilden, das dafür
eingerichtet ist, dem Flüssigbrennstoff
einen Drall zu verleihen. Gemäß Darstellung
ist ein Austritt jeder Flüssigbrennstofföffnung 128 angrenzend
an eine entsprechende Nut 100 angeordnet. In dieser Konfiguration kann,
wenn das Turbinensystem 10 in einem Flüssigbrennstoffmodus arbeitet,
der Luftstrom entlang der Nut 100 eine Niederdruckzone
angrenzend an die Flüssigbrennstofföffnung 128 erzeugen,
um dadurch die Flüssigbrennstoffgeschwindigkeit
zu erhöhen
und die Zerstäubung
von Flüssigbrennstofftröpfchen zu erhöhen. In
alternativen Konfigurationen können
die Flüssigbrennstofföffnungen 128 in
Umfangsrichtung von den Nuten 100 versetzt sein. In weiteren
Ausführungsformen
können
die Flüssigbrennstofföffnungen 128 im
Wesentlichen zu der Längsachse 84 ausgerichtet
und dafür
eingerichtet sein, Flüssigbrennstofftröpfchen aus
der Spitze 99 im Wesentlichen in der Stromabwärtsrichtung 63 auszugeben.
Alternative Ausführungsformen
können
Nuten 100 verwenden, die ein spiralförmiges Muster ausbilden, das
dafür eingerichtet
ist, dem Luftstrom entlang den Nuten 100 und dem Flüssigbrennstoff
einen Drall zu verleihen.
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Jede
Flüssigbrennstofföffnung 128 kann
für eine
spezielle Anwendung auf der Basis des von der Flüssigbrennstoffzuführung 50 gelieferten
Brennstoffs eingerichtet sein. Insbesondere kann ein Durchmesser 130 jeder
Flüssigbrennstofföffnung 128 speziell
für die
Erzeugung eines gewünschten
Durchsatzes des Flüssigbrennstoffs
in die Vormischerrohre 52 eingerichtet sein. In der vorliegenden
Ausführungsform
ist der Durchmesser 130 jeder Flüssigbrennstofföffnung 128 angenähert 25%
des Durchmessers 126 des Flüssigbrennstoff-Verteilungsknotens 122.
Der Durchmesser 130 der Flüssigbrennstofföffnungen 128 kann
in alternativen Ausführungsformen
variieren. Beispielsweise kann der Durchmesser 130 größer als
angenähert
10%, 15%, 20%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50% oder noch mehr des Durchmessers 126 des
Flüssigbrennstoff-Verteilungsknotens 122 sein.
Ferner kann jede Flüssigbrennstofföffnung 128 in
einem Winkel 132 in Bezug auf die Längsachse 84 ausgerichtet
sein. In der vorliegenden Ausführungsform
ist der Winkel 132 der Flüssigbrennstofföffnungen 128 angenähert 12
Grad. Alternative Ausführungsformen
können
Flüssigbrennstofföffnungen 128 verwenden,
die in größeren oder
kleineren Winkeln 132 angeordnet sind. Beispielsweise können bestimmte
Ausführungsformen Winkel 132 zwischen
angenähert
0 bis 90, 10 bis 80, 20 bis 70, 30 bis 60, 40 bis 50, oder etwa
45 Grad enthalten. In einem weiteren Beispiel kann der Winkel 132 angenähert 0,
6, 8, 12, 18, 24 oder 30 Grad sein. Der Winkel 132 kann
insbesondere dafür
eingerichtet sein, eine geeignete Zerstäubung der Flüssigbrennstofftröpfchen in
dem Vormischerrohr 52 zu erzielen. In bestimmten Ausführungsformen
kann eine Flüssigbrennstoffpatrone 70 aus
einem Satz von Patronen 70 ausgewählt werden, wovon jede Flüssigbrennstofföffnungen 128 verwendet,
die in unterschiedlichen Winkeln 132 ausgerichtet sind.
Auf diese Weise kann eine geeignete Flüssigbrennstoffpatrone 70 ausgewählt werden,
um das gewünschte Zerstäubungsmuster
auf der Basis der Eigenschaften des von der Flüssigbrennstoffzuführung 15 gelieferten
Flüssigbrennstoffs
zu erzielen.
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Zusätzlich kann
sich die Spitze 99 der Flüssigbrennstoffpatrone 70 über eine
Strecke 134 axial über
das stromabwärts
liegende Ende der Spitze 92 des Gasbrennstoffinjektors 61 hinaus
erstrecken. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Strecke 134 angenähert gleich
dem Durchmesser 130 der Flüssigbrennstofföffnungen 128.
In weiteren Ausführungsformen
kann die Strecke 134 größer oder
kleiner als der Durchmesser 130 sein. Beispielsweise kann
die Strecke 134 größer als
das 0,25, 0,5, 0,75, 1,25, 1,5, 1,75, 2- oder mehrfache des Durchmessers 130 der
Flüssigbrennstofföffnungen 128 sein.
In alternativen Ausführungsformen
kann die Spitze 99 im Wesentlichen bündig mit der Spitze 92 sein.
In weiteren Ausführungsformen
kann die Spitze 99 in der zentralen Öffnung 94 zurückgezogen
sein. Die Position der Spitze 99 der Flüssigbrennstoffpatrone 70 in Bezug
auf die Spitze des Gasbrennstoffinjektors 61 kann die Zerstäubung der
Flüssigbrennstofftröpfchen in
dem Vormischerrohr 52 beeinflussen. Daher kann die Länge der
Flüssigbrennstoffpatrone 70 ausgewählt werden,
um einen gewünschten
Versatz 134 zwischen der Spitze 99 und der Spitze 92 zu
erreichen.
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Die
Flüssigbrennstoffpatrone 70 kann
ausgewählt
werden, um eine geeignete Zerstäubung
für einen
speziellen Brennstoff zu erreichen. Insbesondere kann die Flüssigbrennstoffpatrone 70 dafür eingerichtet
werden, Flüssigbrennstofftröpfchen mit
einer speziellen Größe zu erzeugen.
Wie bekannt erzeugen kleinere Flüssigbrennstofftröpfchen eine
vergrößerte Oberfläche, welche
zu einer vollständigeren Verbrennungsreaktion
führt.
Daher kann die Flüssigbrennstoffpatrone 70 dafür eingerichtet
werden, Flüssigbrennstofftröpfchen mit
einem Durchmesser von weniger als angenähert 50 μm zu erzeugen. Beispielsweise
kann die Flüssigbrennstoffpatrone 70 Tröpfchen mit
einem Durchmesser von weniger als etwa 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45
oder 50 μm
erzeugen. Eine derartige Konfiguration kann den Verbrennungsvorgang
verbessern und zu einem verbesserten Wirkungsgrad und verringerten
Emissionen führen.
Ebenso kann das Spritzmuster aus der Flüssigbrennstoffpatrone 70 auf
eine im Wesentlichen konische Form mit einem speziellen Divergenzwinkel
in der Stromabwärtsrichtung 63 beschränkt werden. Insbesondere
kann der Divergenzwinkel dafür
eingerichtet werden, den Strahl der Flüssigbrennstofftröpfchen in
dem Vormischerrohr 52 zu halten. Beispielsweise kann der
Strahlkonus auf einen Winkel zwischen angenähert 0° bis 40°, 5° bis 35° 10° bis 30°, 15° bis 25° oder etwa 20° beschränkt werden.
Auf diese Weise können
die Brennstofftröpfchen
in dem Vormischerrohr 52verbleiben, sodass eine einwandfreie
Vermischung von Brennstoff und Luft erzielt werden kann. Wie vorstehend
diskutiert, umfassen die Eigenschaften der Flüssigbrennstoffpatrone 70 und/oder
des Gasbrennstoffinjektors 61, die die Zerstäubung beeinflussen
können,
den Spalt 106 zwischen der Flüssigbrennstoffpatrone 70 und
der zentralen Öffnung 94,
die Anzahl der Nuten 100, die radiale Abmessung 108 der
Nuten 100, die Umfangsabmessung 110 der Nuten 100,
den Durchmesser 126 des Verteilungsknotens 122 des
Flüssigbrennstoffkanals 112,
die Anzahl von Flüssigbrennstofföffnungen 128,
den Durchmesser 130 jeder Flüssigbrennstofföffnung 128,
den Winkel 132 jeder Flüssigbrennstofföffnung 128 und
die stromabwärts
liegende Strecke 134 der Spitze 99 über die
Spitze 92 hinaus. Diese Eigenschaften können insbesondere ausgewählt werden,
um eine einwandfreie Zerstäubung
zu erzielen. Zusätzlich
kann eine Flüssigbrennstoffpatrone 70 aus
einem Satz von Patronen 70 ausgewählt werden, wovon jede eine
oder mehrere unterschiedliche Eigenschaften hat. Auf diese Weise kann
das Turbinensystem 10 leicht eingerichtet oder für einen
speziellen Brennstoff umeingerichtet werden.
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16 ist
eine Querschnittsseitensicht der in dem Gasbrennstoffinjektor 61 angeordneten
Flüssigbrennstoffpatrone 70 entlang
der Linie 16-16 von 13. Dieser Querschnitt veranschaulicht
Verdichterluftkanäle 136,
die Luft in einer im Wesentlichen stromabwärts gerichteten Richtung 63 aus
Einlässen 138 bei
einem stromaufwärts
befindlichen Abschnitt des Körpers 90 zu
den Verdichterluftöffnungen 96 transportieren.
Insbesondere wird, wie es am besten in 5 dargestellt
ist, Luft aus dem Verdichter 22 durch die zweiten Fenster 56 hindurch
zu den Einlässen 138 geleitet.
Wie bekannt, kann die Anzahl von Einlässen 138 der Anzahl
von Verdichterluftöffnungen 96 in
dem Körper 90 des
Gasbrennstoffinjektors 61 entsprechen. Die Verdichterluftkanäle 136 können in
einem Winkel 140in Bezug auf die Längsachse 84 ausgerichtet
sein. In der vorliegenden Ausführungsform
kann der Winkel 140 angenähert 5° sein. Alternative Ausführungsformen
können
größere oder
kleinere Winkel 140 enthalten. Beispielsweise können bestimmte
Ausführungsformen
Winkel 140 zwischen angenähert 0° bis 20°, 2° bis 18°, 4° bis 16°, 6° bis 14°, 8° bis 12'' oder
etwa 10° enthalten.
Der Winkel 140 der Verdichterluftkanäle 136 in Bezug auf
die Längsachse 84 kann
die Zerstäubung
der Flüssigbrennstoffe
beeinflussen, wenn das Turbinensystem 10 in dem Flüssigbrennstoffmodus
arbeitet. Ebenso kann der Winkel 140 den Gasbrennstoffstrom
durch das Vormischerrohr 52 während Perioden eines Gasbrennstoffbetriebs
beeinflussen. Wie vorstehend diskutiert, kann die Anzahl von Öffnungen 96 für eine spezielle
Turbinensystemanwendung eingerichtet werden.
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17 ist
eine perspektivische Ansicht der Spitze 99 der Flüssigbrennstoffpatrone 70.
Wie vorstehend diskutiert, enthält
die Spitze 99 Längsnuten 100 mit
einer Umfangsabmessung 110. Wie es am besten in dieser
Figur dargestellt ist, enden die Flüssigbrennstofföffnungen 128 angrenzend
an die Nuten 100. Diese Konfiguration kann eine verbesserte
Zerstäubung
erzeugen, indem eine Niederdruckzone angrenzend an die Öffnungen 128 aufgrund
des Luftstroms entlang den Nuten 100 aufgebaut wird. Die Niederdruckzone
kann zur Erhöhung
der Austrittsgeschwindigkeit des Flüssigbrennstoffs aus den Öffnungen 128 dienen,
um dadurch eine verringerte Tröpfchengröße und eine
erhöhte
Tröpfchengeschwindigkeit
zu erzeugen. In alternativen Ausführungsformen können die
Flüssigbrennstofföffnungen 128 an
einer Endkappe 142 der Spitze 99 enden. Diese
Konfiguration kann Flüssigbrennstofftröpfchen im
Wesentlichen in der Stromabwärtsrichtung 63 ausgeben.
-
18 ist
eine Querschnittsseitenansicht des in der Endabdeckung 38 (siehe 3–7) angeordneten Gasbrennstoffinjektors 61.
Wie dargestellt, ist der Gasbrennstoffinjektor 61 mit der
Endabdeckung 38 durch ein an dem Basisabschnitt 86 des Gasbrennstoffinjektors 61 angebrachtes
Befestigungselement 144 verbunden. Das Befestigungselement 144 blockiert
Bewegungen des Gasbrennstoffinjektors 61 in der Stromabwärtsrichtung 63,
während
der Flansch 88 eine Bewegung des Injektors 61 in
der Stromaufwärtsrichtung 59 blockiert.
In bestimmten Ausführungsformen
können
das Befestigungselement 144 und der Basisabschnitt 86 passende
Gewinde enthalten. Die Flüssigbrennstoffpatrone 70 ist
an der Endabdeckung 38 mittels Schrauben 146 befestigt.
In bestimmten Ausführungsformen können 1,
2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehr Schrauben 146 die Flüssigbrennstoffpatrone 70 an
der Endabdeckung 38 befestigen. Jedoch ist die Flüssigbrennstoffpatrone 70 nicht
direkt mit dem Gasbrennstoffinjektor 61 verbunden. In dieser
Konfiguration kann die Flüssigbrennstoffpatrone 70 aus
der Endabdeckung 38 durch Lösen der Schrauben 146 ausgebaut
werden. Daher können
die Flüssigbrennstoffpatronen 70 leicht
ersetzt werden, um eine Brennstoffdüsenwartung zu ermöglichen
und um das Turbinensystem 10 mit einer Flüssigbrennstoffpatrone 70 zu
versehen, die für
eine vorgegebene Anwendung speziell eingerichtet ist. Beispielsweise
können
vorstehend beschriebene Eigenschaften der Flüssigbrennstoffpatronen 70 auf
der Basis des von der Flüssigbrennstoffzuführung 15 gelieferten
Flüssigbrennstoffs
ausgewählt
werden. Daher kann der Betrieb des Turbinensystems 10 auf
einen speziellen Brennstoff ohne teuere Umkonfiguration der Brennstoffdüse 12 speziell angepasst
werden.
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Zusätzlich kann
jeder Gang 62 dafür
eingerichtet werden, dem wählbaren
Strömungskanal 114 Gasbrennstoff
während
Perioden eines Gasbrennstoffbetriebs, Kühlluft während Perioden eines Flüssigbrennstoffbetriebs
oder eine Kombination von Gas und Luft während Übergangsperioden zuzuführen. Beispielsweise
können
sowohl Gasbrennstoff aus der Gasbrennstoffzuführung 14 als auch
Luft aus dem Wärmetauscher 37 den
Gängen 62 über ein oder
mehrere Ventile zugeführt
werden. Diese Ventile können
zum Erzeugen eines geeigneten Stroms von Luft und/oder Brennstoff
zu den Gängen 62 auf der
Basis des speziellen Betriebsmodus des Turbinensystems 10 angepasst
werden. Der Gasbrennstoff und/oder die Kühlluft können durch jeden Gang 62 zu
einem entsprechenden wählbaren
Strömungskanal 114 strömen. Auf
diese Weise kann durch die Flüssigbrennstoffkanäle 112 strömender Flüssigbrennstoff
gegenüber
den Verbrennungsgasen durch den umgebenden Gasbrennstoff und/oder
die Kühlluft
isoliert werden, um dadurch erheblich eine Verkokung in dem Flüssigbrennstoffkanal 112 zu
verringern oder zu beseitigen.
-
Diese
Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich der
besten Ausführungsart offenzulegen,
und um auch jedem Fachmann auf diesem Gebiet zu ermöglichen,
die Erfindung einschließlich
der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller
einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentierbare
Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere
Beispiele umfassen, die für
den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sind. Derartige weitere
Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein,
sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem
Wortlaut der Ansprüche
unterscheiden, oder wenn sie äquivalente
strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem
Wortlaut der Ansprüche
enthalten.
-
In
einer Ausführungsform
enthält
ein System 10 einen Brennstoffinjektor 61, 70 mit
einem Flüssigbrennstoffkanal 112,
der sich zu einer ersten Öffnung 128 in
einem Düsenabschnitt 92, 99 erstreckt.
Der Brennstoffinjektor 61, 70 enthält auch
einen wählbaren
Strömungskanal 114,
der sich zu einer zweiten Öffnung 94 in
dem Düsenabschnitt 92, 99 erstreckt. Der
wählbare
Strömungskanal 114,
umgibt den Flüssigbrennstoffkanal 112 bis
zu dem Düsenabschnitt 92, 99,
wobei der wählbare
Strömungskanal 114 dafür eingerichtet
ist, wählbar
einen Gasbrennstoffstrom 14 und einen Luftstrom aufzunehmen,
und der wählbare
Strömungskanal 114 eine
Durchflusstemperatur hat, die dafür eingerichtet ist, einen durch den
Flüssigbrennstoffkanal 112 strömenden Flüssigbrennstoff
zu kühlen,
um eine Verkokung zu verringern.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Gasturbinensystem
- 12
- Brennstoffdüse
- 14
- Gasbrennstoffzuführung
- 15
- Flüssigbrennstoffzuführung
- 16
- Brennkammer
- 18
- Turbine
- 19
- Welle
- 20
- Abgasauslass
- 22
- Verdichter
- 24
- Luftöffnung
- 26
- Last
- 28
-
- 30
- Luft
- 32
- Druckluft
- 34
- Brennstoff/Luft-Gemisch
- 35
- sekundärer Verdichter
- 36
-
- 37
- Wärmetauscher
- 38
- Endabdeckung
- 39
- Kopfende
der Brennkammer
- 40
- Gehäuse
- 42
- Einsatz
- 44
- Strömungshülse
- 46
-
- 48
- Übergangsstück
- 50
- Mini-Düsenkappe
- 52
- Vormischerrohr
- 54
- erstes
Fenster
- 55
- stromabwärts liegender
Abschnitt der Mini-Düsenkappe
- 56
- zweites
Fenster
- 57
- stromaufwärts liegender
Abschnitt der Mini-Düsenkappe
- 58
- Perforation
im Vormischerrohr
- 59
- Stromaufwärts liegender
Abschnitt
- 60
- Gasinjektorplatte
- 61
- Gasbrennstoffinjektor
- 62
- Gang
in der Endabdeckung
- 63
- Stromabwärtsrichtung
- 64
- Erster
Gang in der Endabdeckung
- 66
- zweiter
Gang in der Endabdeckung
- 68
- Dritter
Gang in der Endabdeckung
- 70
- Flüssigbrennstoffpatrone
- 72
- Kühlplatte
- 74
- Perforierter
Bereich des Vormischerrohres
- 76
- nicht-perforierter
Bereich des Vormischerrohres
- 77
- tränenförmige Perforation
- 78
- Flamme
- 79
- schlitzförmige Perforation
- 80
- Winkel
zwischen Perforation und radialer Achse
- 81
- radiale
Achse
- 82
- Winkel
zwischen Perforation und radialer Achse
- 83
- radiale
Achse
- 84
- Längsachse
- 86
- Basis
des Gasbrennstoffinjektors
- 88
- Flansch
des Gasbrennstoffinjektors
- 90
- Körper des
Gasbrennstoffinjektors
- 92
- Düsenabschnitt
des Körpers
- 94
- zentrale
Gas/Luft-Öffnung
- 96
- Verdichterluftöffnung
- 98
- radiale
Gas/Luft-Öffnung
- 99
- Spitze
der Flüssigbrennstoffpatrone
- 100
- Längsnut
- 102
- Außendurchmesser
der Flüssigbrennstoffpatrone
- 104
- Innendurchmesser
der zentralen Gas/Luft-Öffnung
- 106
- Spalt
zwischen Flüssigbrennstoffpatrone
und zentraler Gas/Luft-Öffnung
- 108
- radiale
Abmessung der Längsnut
- 110
- Umfangsabmessung
der Längsnut
- 112
- Flüssigbrennstoffkanal
- 114
- wählbarer
Strömungskanal
- 116
- Zwischenströmungskanal
- 118
- Winkel
zwischen Strömungskanal
und Längsachse
- 119
- Durchmesser
des Zwischenströmungskanals
- 120
- Konvergierender
Bereich des Flüssigbrennstoffkanals
- 122
- Brennstoffverteilungsknoten
- 124
- Durchmesser
des Flüssigbrennstoffkanals
- 126
- Durchmesser
des Brennstoffknotens
- 128
- Flüssigbrennstofföffnung
- 130
- Durchmesser
der Flüssigbrennstofföffnung
- 132
- Winkel
zwischen Flüssigbrennstofföffnung und
Längsachse
- 134
- Strecke
zwischen Flüssigbrennstoffpatrone und
Düsenabschnitt
des Körpers
- 136
- Verdichterluftkanal
- 138
- Verdichterluftöffnung
- 140
- Winkel
zwischen Verdichterluftkanal und Längsachse
- 142
- Endkappe
der Spitze der Flüssigbrennstoffpatrone
- 144
- Befestigungselement
- 146
- Schraube