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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere die Verwendung von Lippendichtungen in Brennerdüsen, Endabdeckungen und anderswo.
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Hintergrund der Erfindung
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Gasturbinenbrenner nutzen im Allgemeinen eine Anzahl von Brennstoffdüsen, die um eine Endabdeckung herum positioniert sind. Die Brennstoffdüsen und/oder Endabdeckungen liefern verschiedene Fluide an das Verbrennungssystem. Im Wesentlichen können die Fluidkanäle der Brennstoffdüsen die Form konzentrischer Rohre annehmen. Fluidtemperaturdifferenzen, interne Brennkammer-Lufttemperaturdifferenzen, Wärmeausdehnungskoeffizienten der Rohre und vorübergehend auftretende Gasturbinenbetriebszustände können zu axialen thermischen Spannungen beitragen, die auf die konzentrischen Rohre ausgeübt werden. Der neuere Einsatz von Brennstoffen mit kleineren Molekülgrößen erfordert auch ein besonders niedriges Leckageverhalten zwischen den Kanälen für einen zuverlässigen Betrieb. Zusätzlich sind die Brennstoffdüsen und Endabdeckungen im Allgemeinen starr an der Turbinenstruktur befestigt. Beispielsweise kann der Gasturbinenrotor signifikante Schwingungsbelastungen ausüben. Somit müssen diese Komponenten den Unbilden einer Schwingungsumgebung mit geeigneten Lagerungs- und Dämpfungsverstärkungen widerstehen.
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Es wurden bisher Kolbenringe verwendet, um Unterschiede in der axialen Wärmeausdehnung aufzunehmen, indem eine Gleitdichtung zwischen konzentrischen Rohren bereitgestellt wird. Die Kolbenringe können jedoch hohe Leckageraten haben und keine ausreichende Unterstützung für die Innenkanäle bereitstellen. Es wurden ebenfalls bereits Balgen verwendet, die zwischen den Kanälen eine hermetisch abgedichtete Verbindung erzeugen. Die Balgen können jedoch teuer sein, können Haltbarkeitsprobleme mit angrenzenden Schweißnähten haben und können Einschränkengen dahin gehend haben, wie weit eine axiale Ausdehnung aufgenommen werden kann.
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Es besteht somit ein Wunsch nach einer verbesserten Brennstoffdüsenkonstruktion, die eine axiale Wärmeausdehnung aufnimmt, extrem niedrige Leckageraten bereitstellt, in Schwingungsumgebungen robust ist und eine verbesserte Haltbarkeit hat. Eine derartige Brennstoffdüsenkonstruktion sollte das Gesamtsystem, Leistung und Zuverlässigkeit verbessern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Anmeldung stellt somit eine Brennstoffdüsenanordnung bereit. Die Brennstoffdüsenanordnung kann eine Anzahl konzentrischer Rohre und eine oder mehrere zwischen einem Paar der konzentrischen Rohre positionierter Lippendichtungen enthalten.
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Die vorliegende Anmeldung stellt eine weitere Brennstoffdüsenanordnung bereit. Die Brennstoffdüsenanordnung kann eine Anzahl konzentrischer Rohre mit einem mittigen Brennstoffkanal und einer Anzahl sekundärer Kanäle und eine oder mehrere zwischen einem Paar der konzentrischen Rohre positionierter Lippendichtungen bereit.
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Die vorliegende Anmeldung stellt eine weitere Brennstoffdüsenanordnung bereit. Die Brennstoffdüsenanordnung kann eine Brennstoffdüsen-Endkappenanordnung und eine Anzahl an der Brennstoffdüsen-Endkappenanordnung befestigter konzentrischer Rohre enthalten. Eine oder mehrere Lippendichtungen können zwischen der Brennstoffdüsen-Endkappenanordnung und den konzentrischen Rohren angeordnet sein.
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Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung dürften für den Fachmann nach dem Betrachten der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich sein.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Teilquerschnittsansicht einer Gasturbine, wie sie hierin verwendet werden kann.
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2 ist eine Seitenansicht einer sekundären Düsenanordnung, wie sie hierin verwendet werden kann.
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3 ist eine Seitenquerschnittsansicht eines Abschnittes einer Brennstoffdüsenanordnung mit Lippendichtungen, wie sie hierin beschrieben sein können.
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4 ist eine Seitenquerschnittsansicht einer Lippendichtung, wie sie mit der vorstehend beschriebenen Brennstoffdüsenanordnung verwendet werden kann.
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5 ist eine Seitenquerschnittsansicht einer Endkappenanordnung mit den Lippendichtungen, wie sie hierin beschrieben sein können.
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Detaillierte Beschreibung
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Gemäß den Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Elemente durchgängig durch die verschiedenen Ansichten beziehen, zeigt 1 Abschnitte einer Gasturbine 10 mit einem (ebenfalls teilweise dargestellten) Verdichter 12, einem Brenner 14 und einem hierin durch nur eine Laufschaufel dargestellten Turbinenbereich 16. Obwohl es nicht im Einzelnen dargestellt ist, ist die Turbine 16 mit dem Verdichter 12 entlang einer gemeinsamen Achse verbunden. Der Verdichter 12 verdichtet einen ankommenden Luftstrom und liefert die Luft an den Brenner 14. Der Brenner 14 vermischt den verdichteten Luftstrom mit einem verdichteten Brennstoffstrom und zündet das Gemisch. Obwohl nur ein Brenner 14 dargestellt ist, kann die Gasturbine 10 eine beliebige Anzahl von Brennern 14 enthalten. Die Brenner 14 können in einer ringförmigen Gruppierung um die Achse der Gasturbine 10 herum angeordnet sein.
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Die heißen Verbrennungsgase werden wiederum an die Turbine 16 geliefert. Die heißen Verbrennungsgase treiben die Turbine 16 an, sodass sie mechanische Arbeit erzeugt. Die von der Turbine 16 erzeugte mechanische Arbeit treibt den Verdichter 12 und im Allgemeinen eine externe Last, wie z. B. einen elektrischen Generator und dergleichen an. Die Gasturbine 10 kann Erdgas, verschiedene Arten von Synthesegas und andere Arten von Brennstoffen nutzen. Die Gasturbine 10 kann andere Konfigurationen haben und kann andere Arten von Komponenten darin nutzen.
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Ein Übergangsstück 18 kann den Auslass von jedem Brenner 14 mit dem Einlassende der Turbine 16 verbinden, um die heißen Verbrennungsgase zuzuführen. Jeder Brenner 14 kann eine primäre oder stromaufwärts befindliche Verbrennungszone 20 und eine sekundäre oder stromabwärts befindliche Verbrennungszone 22 enthalten, welche im Wesentlichen durch einen Einschnürungsbereich 24 getrennt sind. Der Brenner 14 kann von einer Brennerströmungshülse 26 umgeben sein, um so den Verdichterauslassluftstrom dem Brenner 14 zuzuführen. Der Brenner 14 kann ferner von einem Außengehäuse 28 umgeben sein, das mit einem Turbinengehäuse 30 verschraubt oder anderweitig daran befestigt sein kann. Der Brenner 14 kann ferner eine Anzahl primärer Düsen 32 enthalten, um so Brennstoff der primären Verbrennungszone 20 zuzuführen. Die primären Düsen 32 können in einer ringförmigen Gruppierung um eine zentrale sekundäre Düse 34 herum angeordnet sein. Eine Zündung kann in dem Brenner 14 mittels einer Zündkerze 36 in Verbindung mit einer Anzahl von Querzündungsrohren 38 (eine ist dargestellt) erzielt werden. Die sekundäre Düse 34 kann der sekundären Verbrennungszone 22 Brennstoff zuführen. Weitere Konfigurationen und Konstruktionen können hierin verwendet werden.
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2 stellt eine sekundäre Düsenanordnung 100 dar, wie sie hierin beschrieben sein kann. Die sekundäre Düsenanordnung 100 kann eine Anzahl konzentrischer Rohre 110 enthalten. Die konzentrischen Rohre 110 können eine Anzahl von Kanälen dadurch hindurch definieren. Die konzentrischen Rohre 110 können einen mittigen Kanal 120 enthalten. Der mittige Kanal 120 kann ein Flüssigbrennstoffkanal oder ein Spülluftkanal sein. Um den mittigen Kanal 120 herum kann sich eine beliebige Anzahl von sekundären Kanälen 140 befinden. Die sekundären Kanäle 140 können einen Pilotkanal, sekundäre und tertiäre Gaskanäle, Wasserkanäle, Luftspülkanäle und weitere Arten von Fluidströmungen enthalten.
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Die konzentrischen Rohre 110 können an einem Ende an einer Brennstoffdüsen-Endabdeckungsanordnung 150 befestigt sein. Die konzentrischen Rohre 110 können sich zu einer Düsenspitze 160 an dem anderen Ende erstrecken. Eine beliebige Anzahl von sekundären Kanälen 140 und/oder konzentrischen Rohren 110 kann hierin verwendet werden. Weitere Konfigurationen und Konstruktionen können hierin verwendet werden.
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3 stellt ein Beispiel der konzentrischen Rohre 110 der sekundären Düsenanordnung 110 dar. Wie dargestellt umgibt eine Anzahl sekundärer Kanäle 140 den mittigen Kanal 120. Zwischen jedem Paar der konzentrischen Rohre 110 kann sich eine Anzahl von Lippendichtungen 170 befinden. Die Lippendichtung 170 ist eine Form einer radialen Dichtung, die eine Brennstoffleckage dadurch hindurch verringert. Die Lippendichtung 170 kann auch zwischen den konzentrischen Rohren 110 und der Brennstoffdüsen-Endabdeckungsanordnung 150 positioniert sein.
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Die Lippendichtungen 170 werden typischerweise auf rotierende Wellen aufgebracht und können extrem hohe Betriebsdrücke vertragen. Im Wesentlichen dichtet die Lippendichtung 170 durch ihren Sitz auf einer Welle, der den Innendurchmesser zusammendrückt, und sitzt in einer Bohrung, der den Außendurchmesser zusammendrückt. In einer typischen Rotationswellenanwendung würde der Innendurchmesser als die dynamische Seite der Dichtung betrachtet werden, da sich die Welle in Bezug auf die stationäre Lippendichtung dreht. Die Dichtungskonstruktion beruht auf einer Kompression, um eine Normalkraft auf die Innenseiten- und Außenseitendichtungsoberflächen aufzubringen. Die Lippendichtung 170 kann durch eine Anordnung auf der Welle komprimiert werden und in eine Bohrung mit einem geeigneten Werkzeug eingesetzt werden.
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4 zeigt eine Seitenansicht eines Beispiels der Lippendichtung 170. Die Lippendichtung 170 kann einen gebogenen Abschnitt 180, eine äußere Dichtungslinie 190 und eine innere Dichtungslinie 200 enthalten. Die Lippendichtung 170 kann einen nach innen gerichteten Schwenk 210 an einem Ende des gebogenen Abschnittes 180 enthalten, um somit eine Rückbiegung 220 an einem ersten Rand 230 zu erzeugen. Die Lippendichtung 170 kann auch einen sich nach innen verjüngenden kegelförmigen Abschnitt oder in Längsrichtung verlängerten Abschnitt 240 enthalten, der in einem nach außen gebogenen Abschnitt 250 zu dem zweiten gegenüberliegenden Ende 260 hin endet. Die Funktion der Rückbiegung 220 besteht in einer Versteifung und einer Führung, die das einfache Einsetzen der Dichtung 170 in einen Innenhohlraum ermöglicht. Weitere Konfigurationen und Konstruktionen können hierin verwendet werden. Die Lippendichtung 170 kann aus Nickel-Superlegierungen, Nickel/Kobalt-Legierungen und ähnlichen Materialien bestehen.
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In der vorliegenden Anmeldung lassen die Lippendichtungen 170 eine Wärmeausdehnung dahingehend zu, dass die Lippendichtung 170 ein axiales Gleiten entlang dem Innendurchmesser oder dem Innenschwenk 210 zulässt, während gleichzeitig eine Dichtung aufrechterhalten bleibt. Die Lippendichtung 170 ist im Grunde eine metallische radiale Feder. Da die Lippendichtung 170 eine Vollumfangsfederdichtung ist, verschiebt die Lippendichtung 170 auch die Eigenfrequenzen der Düsenkomponenten von den Anregungsquellen weg in höhere Bereiche. Die Reibungsschnittstelle der Dichtung 170 kann die Dämpfungseigenschaften erhöhen. Die verbesserte Dichtung verringert auch Pilotströmungsveränderungen in Brennern mit extrem niedriger Emission. Zusätzlich können die Lippendichtungen 170 höhere Konzentrationen von H2 und ähnlich hochreaktiven Brennstoffen mit kleinen Molekülen mit einer akzeptablen Leckage für eine größere Brennstoffflexibilität zulassen.
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5 stellt eine weitere Düse 300 dar. In diesem Beispiel enthält die Düse 100 eine Anzahl konzentrischer Rohre 310, die sich aus einer Endkappenanordnung 320 erstrecken. Eine Anzahl von den Lippendichtungen 170 kann in der Endkappenanordnung 320 um die konzentrischen Rohre 310 herum positioniert sein. Die Lippendichtungen 170 funktionieren wie vorstehend, um eine axiale Wärmeausdehnung usw. aufzunehmen. Die Lippendichtungen 170 können irgendwo um die Düse 100 herum und anderswo positioniert sein.
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Die Verwendung von Lippendichtungen 170 um die konzentrischen Rohre 110, 130 und die Brennstoffdüsen-Endabdeckungsanordnungen 150, 320, ermöglicht somit eine axiale Wärmeausdehnung, verringerte Leckage und eine verbesserte Eigenfrequenzschwingungsdämpfung. Ferner kann eine verringerte Strömungsvariation zu einem verbesserten Emissionsverhalten führen. Eine verbesserte Dichtung kann einen zusätzlichen Abstimmungsbereich ermöglichen, um ein noch niedrigeres Emissionsverhalten zu erreichen.
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Es dürfte offensichtlich sein, dass Vorstehendes nur auf bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung zutrifft und dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen hierin von einem Fachmann vorgenommen werden können, ohne von dem durch die nachstehenden Ansprüche und deren Äquivalente definierten allgemeinen Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Brennstoffdüse 100 bereit. Die Brennstoffdüse 100 kann eine Anzahl konzentrischer Rohre 110 und eine oder mehrere Lippendichtungen 170 enthalten, die zwischen einem Paar von den konzentrischen Rohren 110 angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbine
- 12
- Verdichter
- 14
- Brenner
- 16
- Turbine
- 18
- Übergangsstück
- 20
- primäre Brennkammer
- 22
- sekundäre Brennkammer
- 24
- Einschnürungsbereich
- 26
- Strömungshülse
- 28
- Außengehäuse
- 30
- Turbinengehäuse
- 32
- primäre Düsen
- 34
- sekundäre Düsen
- 36
- Zündkerze
- 38
- Querzündungsrohre
- 100
- sekundäre Düse
- 110
- konzentrische Rohre
- 120
- mittiger Kanal
- 140
- sekundäre Kanäle
- 150
- Endkappe
- 160
- Düsenspitze
- 170
- Lippendichtungen
- 180
- gebogener Abschnitt
- 190
- äußere Dichtungslinie
- 200
- innere Dichtungslinie
- 210
- einwärts gerichteter Schwenk
- 220
- Rückbiegung
- 230
- erster Rand
- 240
- verlängerter Abschnitt
- 250
- nach außen gebogener Abschnitt
- 260
- zweiter Rand
- 300
- Düse
- 310
- konzentrische Rohre
- 320
- Endkappenanordnung
