DE102010060363A1

DE102010060363A1 - Gasturbinenbrennstoffdüsen mit entgegengerichtetem Drall

Info

Publication number: DE102010060363A1
Application number: DE102010060363A
Authority: DE
Inventors: Almaz Valeev; Garth Frederick; Dmitry Lysenko; Sergey Meshkov; Valery Mitrofanov
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2011-05-12
Also published as: US20110107765A1; RU2009140936A; JP2011099444A; CH702169B1; CH702169A2; RU2506499C2; CN102052158A

Abstract

In bestimmten Ausführungsbeispielen enthält ein System eine Gasturbinensteuerung (46). Die Gasturbinensteuerung (46) weist einen ersten Betriebsmodus auf, der einen Brennstoffstrom nur durch eine erste Anzahl von Brennstoffdüsen (16) mit einer ersten Drallrichtung (118) ermöglicht. Die Gasturbinensteuerung (46) weist auch einen zweiten Betriebsmodus auf, der einen Brennstoffstrom nur durch eine zweite Anzahl von Brennstoffdüsen (18) mit einer zweiten Drallrichtung (120) ermöglicht, die der ersten Drallrichtung (118) entgegengerichtet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der hierin offenbarte Gegenstand bezieht sich auf Brennstoffdüsen und im Einzelnen auf Gasturbinenbrennkammern mit mehreren Brennstoffdüsen.
Gasturbinen verbrennen typischerweise ein Gemisch aus Luft und Brennstoff in einer Brennkammer, um heiße Abgase zum Antreiben eines Turbinen- und eines Verdichterbereiches zu erzeugen. Typische Gasturbinen haben einen begrenzten Leistungsbereich, z. B. durch das Variieren der Menge einer Brennstoffeinleitung. Wenn sich die Menge der Brennstoffeinleitung verringert, erzeugen die Gasturbinen typischerweise eine zunehmende Menge Kohlenmonoxid (CO) in Folge der sinkenden Temperaturen. Mit anderen Worten müssen die Austrittstemperaturen aus der Brennkammer relativ hoch bleiben, um die Einhaltung der zulässigen Emissionswerte sicherzustellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bestimmte Ausführungsbeispiele, die in ihrem Bereich der ursprünglich beanspruchten Erfindung entsprechen, sind unten zusammengefasst. Es ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsbeispiele den Bereich der beanspruchten Erfindung beschränken, sondern es ist nur beabsichtigt, dass diese Ausführungsbeispiele eine kurze Zusammenfassung möglicher Ausführungsformen der Erfindung liefern. Tatsächlich kann die Erfindung eine Vielzahl von Formen umfassen, die den unten vorgestellten Ausführungsbeispielen ähnlich oder von diesen verschieden sein können.
In einer ersten Ausführungsform enthält ein System eine erste Anzahl von Brennstoffdüsen, die jeweils einen ersten Luftkanal, einen ersten Brennstoffkanal und eine erste Drallvorrichtung mit einer ersten Drallrichtung enthalten. Das System enthält auch eine zweite Anzahl von Brennstoffdüsen, die jeweils einen zweiten Luftkanal, einen zweiten Brennstoffkanal und eine zweite Drallvorrichtung mit einer zweiten Drallrichtung enthalten. Die erste und die zweite Anzahl von Brennstoffdüsen sind in einem alternierenden ringförmigen Muster angeordnet. Außerdem sind die erste und die zweite Drallrichtung einander entgegengerichtet. Das System enthält weiterhin eine Steuerung, die zum Steuern eines ersten Brennstoffdurchsatzes durch den ersten Brennstoffkanal und eines zweiten Brennstoffdurchsatzes durch den zweiten Brennstoffkanal unabhängig voneinander eingerichtet ist.
In einer zweiten Ausführungsform enthält ein System eine Gasturbinensteuerung. Die Gasturbinensteuerung weist einen ersten Betriebsmodus auf, der einen Brennstoffstrom nur durch eine erste Anzahl von Brennstoffdüsen mit einer ersten Drallrichtung ermöglicht. Die Gasturbinensteuerung weist auch einen zweiten Betriebsmodus auf, der einen Brennstoffstrom nur durch eine zweite Anzahl von Brennstoffdüsen mit einer zweiten Drallrichtung, die der ersten Drallrichtung entgegengerichtet ist, ermöglicht.
In einer dritten Ausführungsform enthält ein System eine Steuerung. Die Steuerung ist zum Steuern eines ersten Brennstoffstroms durch eine erste Anzahl von Brennstoffdüsen mit einem Luftstrom mit einem Drall in einer ersten Richtung eingerichtet. Die Steuerung ist auch zum Steuern eines zweiten Brennstoffstroms durch eine zweite Anzahl von Brennstoffdüsen mit einem Luftstrom mit einem Drall in einer zweiten Richtung, die der ersten Richtung entgegengerichtet ist, eingerichtet. Der erste und der zweite Brennstoffstrom werden unabhängig gesteuert. Außerdem sind die erste und die zweite Anzahl von Brennstoffdüsen in einem alternierenden ringförmigen Muster abgeordnet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Zeichnungen kennzeichnen:
1 ist ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels eines Turbinensystems mit einer Brennkammer mit einer Anzahl von Brennstoffdüsen;
2 ist eine seitliche Schnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform des Turbinensystems, wie es in 1 dargestellt ist;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Kopfendes einer Brennkammer der Gasturbinenanlage, wie sie in 2 gezeigt ist, wobei die Ansicht die mehreren Brennstoffdüsen darstellt;
4 ist eine seitliche Schnittansicht einer einzelnen Brennstoffdüse, wie sie in 3 gezeigt ist;
5 ist eine perspektivische, teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht der Brennstoffdüse, wie sie in 4 gezeigt ist;
6 ist eine stromaufwärtige oder stromabwärtige Ansicht der in 3 dargestellten Brennstoffdüsenanordnung, die fünf Brennstoffdüsen in einer alternierenden ringförmigen Anordnung sowie eine zentral angeordnete Brennstoffdüse innerhalb der alternierenden ringförmigen Anordnung aufweist;
7 ist eine stromaufwärtige oder stromabwärtige Ansicht einer anderen Brennstoffdüsenanordnung mit vier Brennstoffdüsen in einer alternierenden ringförmigen Anordnung sowie einer zentral angeordneten Brennstoffdüse innerhalb der alternierenden ringförmigen Anordnung; und
8 ist eine stromaufwärtige oder stromabwärtige Ansicht einer weiteren Brennstoffdüsenanordnung mit vier Brennstoffdüsen in einer alternierenden ringförmigen Anordnung ohne zentral angeordnete Brennstoffdüse.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein oder mehrere spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind unten beschrieben. In der Absicht, eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele zu liefern, können nicht alle Merkmale einer tatsächlichen praktischen Umsetzung in der Beschreibung beschrieben werden. Es sollte erkannt werden, dass bei der Entwicklung einer beliebigen derartigen tatsächlichen Umsetzung in die Praxis wie in jedem Konstruktions- oder Entwicklungsprojekt zahlreiche anwendungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die jeweiligen Ziele des Entwicklers zu erreichen, wie z. B. die Einhaltung systembezogener und geschäftsbezogener Beschränkungen, die sich von einer praktischen Umsetzung zur anderen unterscheiden können. Darüber hinaus sollte erkannt werden, dass ein derartiger Entwicklungsprozess zwar komplex und zeitaufwendig sein kann, für Fachleute in Kenntnis dieser Offenbahrung jedoch eine Routinemaßnahme in Konstruktion, Fertigung und Herstellung wäre.
Wenn Elemente von verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, ist beabsichtigt, dass die Artikel „ein”, „eine”, „der”, „die” und „das” bedeuten, dass ein oder mehrere der Elemente vorhanden sind. Es ist beabsichtigt, dass die Ausdrücke „aufweisen”, „enthalten” und „haben” einschließend gemeint sind und bedeuten, dass außer den aufgezählten Elementen auch noch weitere Elemente vorhanden sein könnten.
Die offenbarten Ausführungsbeispiele enthalten Systeme und Verfahren, um die Menge des in einer Brennkammer eines Turbinensystems verbrauchten Brennstoffs erheblich zu verringern, wobei noch die Menge des von dem Turbinensystem erzeugten CO minimiert wird. Insbesondere schaffen die offenbarten Ausführungsbeispiele eine Anordnung einer ersten und einer zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen, die einen Drall in entgegen gesetzten Richtungen erzeugen, in einem alternierenden ringförmigen Muster, so dass die Relativgeschwindigkeiten der Luft-Brennstoff-Gemische aus benachbarten Brennstoffdüsen nahezu Null betragen. Dies hilft bei der Verringerung der Scherung zwischen benachbarten Luft-Brennstoff-Gemischen und trägt auch zur Verringerung des turbulenten Wärme-Masse-Austausches zwischen aneinander angrenzenden, Brennstoff enthaltenden und brennstofflosen Strömungen bei Teillast (z. B. einer allmählichen Verringerung des Brennstoffeinsatzes durch das Turbinensystem) bei, wodurch eine schnellere Oxidation von CO ermöglicht wird, die ihrerseits die Menge des von dem Turbinensystem erzeugten CO verringert. Die Fähigkeit zur Verringerung von dem Turbinensystem erzeugten Menge an CO ermöglicht eine weitergehende Teillasttauglichkeit. Eine verbesserte Teillast des Turbinensystems führt zu einem niedrigeren Brennstoffverbrauch in Zeiten von reduzierten Lasten ohne das Herunterfahren und spätere Hochfahren von Anlagen des Turbinensystems, was sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Flexibilität des Turbinensystems erhöht.
1 ist ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels eines Turbinensystems 10 mit einer Brennkammer 12 mit einer Anzahl von Brennstoffdüsen 14. Wie unten genauer beschrieben kann die Anzahl von Brennstoffdüsen 14 Gruppen von unabhängig gesteuerten Brennstoffdüsen 14 enthalten. Im Einzelnen können die mehreren unabhängig gesteuerten Brennstoffdüsen 14 eine erste, eine zweite und eine dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 enthalten, die unabhängig voneinander gesteuert werden. Außerdem können die erste, die zweite und die dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 dazu eingerichtet sein, einen Drall in zueinander entgegen gesetzten Richtungen aufzuweisen. In bestimmten Ausführungsformen können z. B. die Brennstoffdüsen der ersten Gruppe von Brennstoffdüsen 16 dazu eingerichtet sein, ein Brennstoff-Luft-Gemisch (oder in bestimmten Ausführungsformen nur Luft) in einer Richtung zur verwirbeln, die derjenigen der Brennstoffdüsen der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 18 entgegengerichtet ist. Außerdem könnte irgendeine Anzahl von Gruppen von Brennstoffdüsen verwendet werden. Zu der Brennkammer 12 können z. B. 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr Gruppen von Brennstoffdüsen gehören.
Das Turbinensystem 10 kann flüssigen oder gasförmigen Brennstoff, wie z. B. Erdgas und/oder ein wasserstoffreiches Synthesegas verwenden. Wie gezeigt nehmen die Brennstoffdüsen 14 eine Anzahl von Brennstoffzufuhrströmen 22, 24, 26 auf. Im Einzelnen kann die erste Gruppe von Brennstoffdüsen 16 einen ersten Brennstoffzufuhrstrom 22, die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 einen zweiten Brennstoffzufuhrstrom 24 und die dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 20 einen dritten Brennstoffzufuhrstrom 26 aufnehmen. Wie unten genauer beschrieben ist, kann sich jeder der Brennstoffzufuhrströme 22, 24, 26 mit einem entsprechenden Luftstrom mischen und als ein Luft-Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer 12 verteilt werden.
Das Luft-Brennstoff-Gemisch verbrennt in einer Kammer innerhalb der Brennkammer 12, wodurch heiße unter Druck stehende Abgase erzeugt werden. Die Brennkammer 12 leitet die Abgase durch eine Turbine 28 zu einem Abgasauslass 30. Wenn die Abgase durch die Turbine 28 hindurch strömen, veranlassen die Gase eine oder mehrere Turbinenlaufschaufeln zum Drehen einer Welle 32 entlang einer Achse des Turbinensystems 10. Wie dargestellt kann die Welle 32 mit verschiedenen Komponenten des Turbinensystems 10 einschließlich eines Verdichters 34 verbunden sein. Der Verdichter 34 enthält auch Laufschaufeln, die mit der Welle 32 gekoppelt sein können. Wenn sich die Welle 32 dreht, rotieren die Laufschaufeln innerhalb des Verdichters 34 ebenfalls, wodurch sie Luft aus dem Einlass 36 durch den Verdichter 34 hindurch in die Brennstoffdüsen 14 und/oder die Brennkammer 12 hinein verdichten. Wie unten genauer beschrieben kann im Einzelnen ein erster verdichteter Luftstrom 38 in die erste Gruppe von Brennstoffdüsen 16, ein zweiter verdichteter Luftstrom 40 in die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 und ein dritter verdichteter Luftstrom 42 in die dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 20 geleitet werden. Die Welle 32 kann auch mit einer Last 44 verbunden sein, die ein Fahrzeug oder ein stationärer Verbraucher, wie z. B. ein elektrischer Generator in einem Kraftwerk oder ein Propeller an einem Flugzeug sein kann. Die Last 44 kann eine beliebige geeignete Vorrichtung aufweisen, die dazu geeignet ist, durch den rotierenden Abtrieb des Turbinensystems 10 angetrieben zu werden.
Wie unten genauer beschrieben ist kann das Turbinensystem 10 außerdem eine Steuerung 46 enthalten, die zum Steuern des ersten, zweiten und dritten Brennstoffzufuhrstroms 22, 24, 26 in die erste, zweite bzw. dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 eingerichtet ist. Im Einzelnen können der erste, zweite und dritte Brennstoffzufuhrstrom 22, 24, 26 von der Steuerung 46 unabhängig voneinander gesteuert werden. Die Steuerung 46 kann z. B. zum Steuern von Ventilen, Pumpen usw. stromaufwärts von der ersten, zweiten und dritten Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 eingerichtet sein, um den ersten, zweiten und dritten Brennstoffzufuhrstrom 22, 24, 26 unabhängig zu variieren. Demnach können der erste, zweite und dritte Brennstoffzufuhrstrom 22, 24, 26 und seine jeweils zugehörige erste, zweite bzw. dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 drei verschiedene Brennstoffzufuhrkreisläufe aufweisen, die von der Steuerung 46 unabhängig gesteuert werden können. Im Einzelnen kann die Steuerung 46 in bestimmten Ausführungsbeispielen dazu eingerichtet sein, jeden Einzelnen von dem ersten, zweiten und dritten Brennstoffzufuhrstrom 22, 24, 26 durch die jeweilige erste, zweite bzw. dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 hindurch zu aktivieren oder zu deaktivieren, um den gesamten Brennstoffstrom in die Brennkammer 12 des Turbinensystems 10 zu variieren, wodurch ein flexiblerer Teillastbetrieb des Turbinensystems 10 ermöglicht wird.
2 ist eine seitliche Schnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform des Turbinensystems 10, wie es in 1 dargestellt ist. Das Turbinensystem 10 enthält eine oder mehrere Brennstoffdüsen 14, die innerhalb einer oder mehrerer Brennkammern 12 angeordnet sind. Im Betrieb tritt durch den Lufteinlass 36 Luft in das Turbinensystem 10 ein und wird in dem Verdichter 34 verdichtet. Die verdichtete Luft kann danach zur Verbrennung in der Brennkammer 12 mit Brennstoff gemischt werden. Die Brennstoffdüsen 14 können z. B. ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einem geeigneten Verhältnis für eine optimale Verbrennung, optimale Emissionen, optimalen Brennstoffverbrauch und optimale Leistungsabgabe in die Brennkammer 12 einleiten. Die Verbrennung erzeugt heiße, unter Druck stehende Abgase, die danach eine oder mehrere Laufschaufeln 48 in der Turbine 28 antreiben, um die Welle 32 und dadurch den Verdichter 34 und die Last 44 zu drehen. Die Drehung der Turbinenlaufschaufeln 48 verursacht eine Drehung der Welle 32, wodurch bewirkt wird, dass die Laufschaufeln 50 in dem Verdichter 34 Luft, die durch den Lufteinlass 36 aufgenommen wird, ansaugen und verdichten.
3 ist eine detaillierte perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Brennkammerkopfendes 52 mit einer Endabdeckung 54 mit den mehreren Brennstoffdüsen 14, die über Dichtverbindungen 58 an einer Endabdeckungsgrundfläche 56 angebracht sind. Das Kopfende 52 führt die verdichtete Luft aus dem Verdichter 34 und den Brennstoff durch die Endabdeckung 54 zu den einzelnen Brennstoffdüsen 14, die die verdichtete Luft und den Brennstoff wenigstens teilweise als ein Luft-Brennstoff-Gemisch vor dem Eintritt in eine Verbrennungszone in der Brennkammer 12 vormischen. Wie es unten genauer erläutert ist, können die Brennstoffdüsen 14 eine oder mehrere Drallerzeugerleitschaufeln aufweisen, die zum Erzeugen eines Dralls in einem Luftströmungspfad eingerichtet sind, wobei jede Drallerzeugerleitschaufel Brennstoffeinlassöffnungen aufweist, die zum Einleiten von Brennstoff in den Luftströmungspfad eingerichtet sind.
In bestimmten Ausführungsbeispielen umfassen die Brennstoffdüsen 14 die erste Gruppe von Brennstoffdüsen 16, die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 und die dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 20. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die erste Gruppe von Brennstoffdüsen 16 drei Brennstoffdüsen, die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 enthält zwei Brennstoffdüsen, und die dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 20 enthält nur eine Brennstoffdüse. Wie dargestellt sind die erste Gruppe von Brennstoffdüsen 16 und die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 in einem abwechselnden ringförmigen Muster um die Endabdeckungsgrundfläche 56 herum angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 20 nur eine Brennstoffdüse auf, die zentral innerhalb des alternierenden ringförmigen Musters der ersten und zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18 angeordnet ist. Demnach kann das alternierende ringförmige Muster von einer der Brennstoffdüsen der ersten Gruppe von Brennstoffdüsen 16 zu einer der Brennstoffdüsen der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 18 zu einer weiteren der Brennstoffdüsen der ersten Gruppe von Brennstoffdüsen 16 usw. in einer Umfangsrichtung um die zentral angeordnete Brennstoffdüse 20 herum abwechseln. Wie unten genauer beschrieben kann jede Brennstoffdüse der ersten Gruppe von Brennstoffdüsen 16 eine Verwirbler- bzw. Drallerzeugervorrichtung (z. B. eine oder mehrere Drallerzeugerleitschaufeln) aufweisen, die zum Erzeugen eines Dralls in einem Luft-Brennstoff-Gemisch (oder in bestimmten Fällen nur in Luft) in einer Richtung eingerichtet ist, die derjenigen einer Drallerzeugervorrichtung in jeder Brennstoffdüse der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 18 entgegen gerichtet ist.
Während die erste Gruppe von Brennstoffdüsen 16 und die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 hierin als in einem alternierenden ringförmigen Muster angeordnet vorgestellt werden, können in Ausführungsbeispielen mit einer unterschiedlichen Anzahl (z. B. einer ungeraden und einer geraden Anzahl) von Brennstoffdüsen in der ersten und zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18 (z. B. 2 und 1, 3 und 2, 4 und 3, 5 und 4, 6 und 5, 7 und 6, 8 und 7, 9 und 8, 10 und 9, 11 und 10 Brennstoffdüsen usw.) zwei oder mehr Brennstoffdüsen aus derselben Gruppe zueinander benachbart angeordnet sein. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind z. B. zwei Brennstoffdüsen der ersten Gruppe von Brennstoffdüsen 16 einander benachbart angeordnet, weil in der ersten Gruppe von Brennstoffdüsen 16 eine Brennstoffdüse mehr (z. B. 3) als in der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 18 (z. B. 2) vorhanden ist. Bei Ausführungsformen mit der gleichen Anzahl von Brennstoffdüsen in der ersten und der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18 (z. B. 2 und 2, 3 und 3, 4 und 4, 5 und 5, 6 und 6, 7 und 7, 8 und 8, 9 und 9, 10 und 10 Brennstoffdüsen usw.) können die Brennstoffdüsen jedoch in einem alternierenden ringförmigen Muster um den gesamten Umfang der Endabdeckungsgrundfläche 56 herum angeordnet sein.
Wie unten genauer beschrieben können die erste, zweite und dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 alle unabhängig voneinander gesteuert werden. Ein erster Brennstoffdurchsatz durch die erste Gruppe von Brennstoffdüsen 16 kann z. B. getrennt von einem zweiten Brennstoffdurchsatz durch die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 gesteuert werden, der erste Brennstoffdurchsatz durch die erste Gruppe von Brennstoffdüsen 16 kann getrennt von einem dritten Brennstoffdurchsatz durch die dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 20 gesteuert werden, und der zweite Brennstoffdurchsatz durch die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 kann getrennt von dem dritten Brennstoffdurchsatz durch die dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 20 gesteuert werden.

Die Fähigkeit zur unabhängigen Steuerung des Brennstoffstroms durch die erste, zweite und dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 kann es ermöglichen, dass der Gesamtbrennstoffdurchsatz in die Brennkammer 12 während des Betriebs des Turbinensystems 10 herunter gefahren (z. B. reduziert) wird. In dem in 3 dargestellten AusführungsbeiGesamtbrennstoffdurchsatz spiel kann der z. B. so herunter gefahren werden, dass der Brennstoff aus einer Gesamtzahl von sechs Brennstoffdüsen 14 bis hinunter zu nur einer einzigen Brennstoffdüse 14 ausströmt. Wie in Tabelle 1 dargestellt kann der Brennstoff im Einzelnen bei einem vollen Strom durch alle sechs Brennstoffdüsen hindurch strömen, wenn die erste, zweite und dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 aktiviert sind (z. B. Modus 6). Danach kann der Gesamtbrennstoffdurchsatz allmählich herunter gefahren werden, indem die erste, zweite und dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 deaktiviert und aktiviert werden, wie es in der Tabelle 1 (z. B. Modi 1–5) zusammengefasst ist. Wenn der Brennstoffstrom durch eine gegebene Brennstoffdüse 14 deaktiviert ist, kann es der verdichteten Luft aus dem Verdichter 34 weiterhin ermöglicht werden, durch die Brennstoffdüse 14 hindurch zu strömen. Die Wechselwirkung zwischen reinen Luftströmen durch bestimmte Brennstoffdüsen 14 und den Luft-Brennstoff-Gemischen durch die anderen Brennstoffdüsen 14 ist unten genauer beschrieben.

	Erste Gruppe 16 (3 Brennstoffdüsen)	Zweite Gruppe 18 (2 Brennstoffdüsen)	Dritte Gruppe 20 (1 Brennstoffdüse)
Modus 6 (6 Brennstoffdüsen)	Aktiviert	Aktiviert	Aktiviert
Modus 5 (5 Brennstoffdüsen)	Aktiviert	Aktiviert	Deaktiviert
Modus 4 (4 Brennstoffdüsen)	Aktiviert	Deaktiviert	Aktiviert
Modus 3 (3 Brennstoffdüsen)	Aktiviert	Deaktiviert	Deaktiviert
Modus 2 (2 Brennstoffdüsen)	Deaktiviert	Aktiviert	Deaktiviert
Modus 1 (1 Brennstoffdüse)	Deaktiviert	Deaktiviert	Aktiviert

Tabelle 1

Während das dargestellte Ausführungsbeispiel die erste Gruppe von Brennstoffdüsen 16 mit drei Brennstoffdüsen, die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 mit zwei Brennstoffdüsen und die dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 20 mit einer einzigen, zentral angeordneten Brennstoffdüse zeigt, könnten auch andere geeignete Anzahlen und Anordnungen von Brennstoffdüsen über die Verbindungen 58 an der Endabdeckungsgrundfläche 56 angebracht sein. In einem anderen Ausführungsbeispiel könnten z. B. die erste und zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18 jeweils zwei Brennstoffdüsen enthalten, und die dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 20 könnte eine einzige, zentral angeordnete Brennstoffdüse sein. Tatsächlich könnten die erste und die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18 auch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr Brennstoffdüsen enthalten. Allgemein wird jedoch die erste Gruppe von Brennstoffdüsen 16 entweder die gleiche Anzahl von Brennstoffdüsen wie die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 oder eine Brennstoffdüse mehr als die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 enthalten. Darüber hinaus kann die dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 20 statt einer einzigen, zentral angeordneten Brennstoffdüse auch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr Brennstoffdüsen enthalten, die innerhalb des alternierenden ringförmigen Musters der ersten und zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18 angeordnet sind.
4 ist eine seitliche Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Brennstoffdüse 14. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Brennstoffdüse 14 eine äußere Umfangswand 60 und einen Düsenzentralkörper 62 auf, der innerhalb der äußeren Umfangswand 60 angeordnet ist. Die äußere Umfangswand 60 kann als ein Brennerrohr beschrieben werden, wohingegen der Düsenzentralkörper 62 als ein Brennstoffzufuhrrohr beschrieben werden kann. Die Brennstoffdüse 14 kann auch einen Luft-Brennstoff-Vormischer 64, einen Lufteinlass 66, einen Brennstoffeinlass 68, Drallerzeugerleitschaufeln 70, einen Mischkanal 72 (z. B. einen ringförmigen Kanal zum Mischen von Luft und Brennstoff) und einen Brennstoffkanal 74 aufweisen. Die Drallerzeugerleitschaufeln 70 sind dazu eingerichtet, innerhalb der Brennstoffdüse 14 eine mit einem Drall behaftete Strömung zu erzeugen. Demnach kann die Brennstoffdüse 14 als eine Dralldüse (bzw. Swozzle für Swirl Nozzle) im Hinblick auf dieses den Drall betreffende Merkmal bezeichnet werden. Es sollte erkannt werden, dass verschiedene Aspekte der Brennstoffdüse 14 unter Bezug auf eine axiale Richtung oder Achse 76, eine radiale Richtung oder Achse 78 und eine Umfangsrichtung oder -achse 80 beschrieben sein können. Zum Beispiel entspricht die Achse 76 einer längs gerichteten Zentrallinie oder Längsrichtung, die Achse 78 einer Quer- oder Radialrichtung bezogen auf die längs gerichtete Zentrallinie und die Achse 80 einer Umfangsrichtung um die längs gerichtete Zentrallinie herum.
Wie gezeigt kann Brennstoff durch den Brennstoffeinlass 68 in den Brennstoffkanal 74 hinein in den Düsenzentralkörper 62 eintreten. Der Brennstoff kann sich axial 76 in einer stromabwärtigen Richtung, wie sie durch den Pfeil 82 bezeichnet ist, über die gesamte Länge des Düsenzentralkörpers 62 bewegen, bis er auf eine innere Endwand 84 (z. B. einen stromabwärtigen Endabschnitt) des Brennstoffkanals 74 auftrifft, woraufhin der Brennstoff die Strömungsrichtung umkehrt, wie es durch den Pfeil 86 bezeichnet ist und, und in einer stromaufwärtigen axialen Richtung in einen Umkehrströmungskanal 88 eintritt. Zu Zwecken der Erläuterung kann der Ausdruck „stromabwärts” eine Strömungsrichtung der Verbrennungsgase durch die Brennkammer 12 zu der Turbine 28 hin bezeichnen, während der Ausdruck „stromaufwärts” eine Richtung weg von oder entgegen der Richtung der Strömung der Verbrennungsgase durch die Brennkammer 12 zu der Turbine 28 hin bezeichnet.
An dem sich axial 76 erstreckenden Ende des Umkehrströmungskanals 88 gegenüber der Endwand 84 trifft der Brennstoff auf eine Wand 90 (z. B. einen stromaufwärtigen Endabschnitt) auf und bewegt sich in eine Auslasskammer 92 (z. B. eine stromaufwärtige Kammer oder einen stromaufwärtigen Kanal) hinein, wie es durch den Pfeil 94 bezeichnet ist. In bestimmten Ausführungsformen kann der Brennstoff um einen Teiler 96 herum in die Auslasskammer 92 hineinströmen, wodurch der Brennstoff durch Brennstoffinjektionsöffnungen 98 in den Drallerzeugerleitschaufeln 70 aus der Auslasskammer 92 ausgestoßen werden kann, wo der Brennstoff sich mit von dem Lufteinlass 66 durch den Mischkanal 72 strömender Luft mischen kann, wie sie durch den Pfeil 100 dargestellt ist. Die Brennstoffeinlassöffnungen 98 können den Brennstoff z. B. quer zu dem Luftstrom injizieren, um eine Vermischung zu bewirken. In gleicher Weise erzeugen die Drallerzeugerleitschaufeln 70 eine wirbelnde Strömung von der Luft und dem Brennstoff, wodurch die Vermischung der Luft und des Brennstoffs verstärkt wird. Das Luft-Brennstoff-Gemisch tritt aus dem Luft-Brennstoff-Vormischer 64 aus und vermischt sich weiter, während es durch den Mischkanal 72 hindurch strömt, wie es durch den Pfeil 102 bezeichnet ist. Diese sich fortsetzende Vermischung der Luft und des Brennstoffs durch den Mischkanal 72 ermöglicht es, dass das aus dem Mischkanal 72 austretende Luft-Brennstoff-Gemisch im Wesentlichen vollständig gemischt ist, wenn es in die Brennkammer 12 eintritt, wo das Gemisch aus Luft und Brennstoff verbrannt werden kann.
5 ist eine perspektivische, teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Brennstoffdüse 14 innerhalb der Bogenlinie 5-5 in 4. Die Brennstoffdüse 14 weist Drallerzeugerleitschaufeln 70 auf, die in Umfangsrichtung um den Düsenzentralkörper 62 herum angeordnet sind, wobei die Drallerzeugerleitschaufeln 70 sich von dem Düsenzentralkörper 62 in Radialrichtung nach außen zu der äußeren Umfangswand 60 erstrecken. Wie dargestellt ist jede Drallerzeugerleitschaufel 70 ein hohler Körper (z. B. ein hohler tragflächenförmiger Körper) mit einer Auslasskammer 92 und dem Teiler 96. Der Brennstoff strömt in einem nicht geradlinigen Pfad stromaufwärts um den Teiler 96 herum zu der Auslasskammer 92 und tritt danach durch die Brennstoffeinlassöffnungen 98 aus der Auslasskammer 92 aus.
Die Drallerzeugerleitschaufeln 70 sind dazu eingerichtet, die Strömung mit einem Drall zu versehen und dadurch eine Vermischung von Luft und Brennstoff in einer Umfangsrichtung 80 um die Achse 76 zu bewirken. Wie dargestellt biegt oder krümmt sich jede Drallerzeugerleitschaufel 70 von einem stromaufwärtigen Endabschnitt 104 zu einem stromabwärtigen Endabschnitt 106. Im Einzelnen ist der stromaufwärtige Endabschnitt 104 allgemein in einer axialen Richtung entlang der Achse 76 ausgerichtet, während der stromabwärtige Endabschnitt 106 allgemein angewinkelt, gekrümmt oder von der Axialrichtung entlang der Achse 76 weg gerichtet ist. Als Ergebnis beeinflusst oder leitet der stromabwärtige Endabschnitt 106 jeder Drallerzeugerleitschaufel 70 die Strömung auf einen Rotationspfad um die Achse 76 herum (z. B. eine Drallströmung). Diese Drallströmung verstärkt die Durchmischung von Luft und Brennstoff innerhalb der Brennstoffdüse vor der Abgabe in die Brennkammer 12. Jede Drallerzeugerleitschaufel 70 kann Brennstoffeinlassöffnungen 98 auf einer ersten und/oder zweiten Seite 108, 110 der Drallerzeugerleitschaufel 70 aufweisen. Die erste und die zweite Seite 108, 110 können zusammen die Außenoberfläche der Drallerzeugerleitschaufel 70 bilden. Die erste und die zweite Seite 108, 110 können z. B. eine tragflächenförmige Oberfläche bilden, wie es oben erläutert worden ist.
Demnach kann die physikalische Form der Drallerzeugerleitschaufeln 70 der Brennstoffdüse 40 wie oben beschrieben eine Verwirblung des Luft-Brennstoff-Gemisches in einer Umfangsrichtung um die längs gerichtete Zentrallinie der Brennstoffdüse 14 herum bewirken, wie sie durch den Pfeil 114 bezeichnet ist. Im Einzelnen kann der stromabwärtige Endabschnitt 106 jeder Drallerzeugerleitschaufel 70 das Luft-Brennstoff-Gemisch in einen Rotationspfad um die Achse 76 (z. B. eine Drallströmung) hinein beeinflussen oder leiten. Während die Drallerzeugerleitschaufeln 70 der Brennstoffdüse 14 in 5 so dargestellt sind, dass sie bezogen auf die Achse 76 einen Drall entgegen dem Uhrzeigersinn erzeugen, könnten die Drallerzeugerleitschaufeln 70 in anderen Ausführungsformen auch so gestaltet sein, dass bezogen auf die Achse 76 ein Drall im Uhrzeigersinn erzeugt wird. Tatsächlich sind die in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen nur beispielhaft für die Typen von Brennstoff-Dralldüsen-Ausführungen, die verwendet werden könnten, und nicht zur Beschränkung gedacht. Es könnten auch andere Dralldüsenausführungen einbezogen werden.
Wie unten genauer beschrieben kann tatsächlich jede der Brennstoffdüsen in der ersten, zweiten oder dritten Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 zum Verwirbeln des Luft-Brennstoff-Gemisches in einer Drallrichtung entgegen jeder der Brennstoffdüsen in einer anderen von der ersten, zweiten oder dritten Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 eingerichtet sein. Zum Beispiel können in bestimmten Ausführungsbeispielen alle Brennstoffdüsen der ersten Gruppe von Brennstoffdüsen 16 zum Verwirbeln des Luft-Brennstoff-Gemisches in einer ersten Drallrichtung eingerichtet sein, während alle Brennstoffdüsen der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 18 zum Verwirbeln des Luft-Brennstoff-Gemisches in einer zweiten Drallrichtung eingerichtet sind, wobei die erste Drallrichtung der zweiten Drallrichtung entgegen gerichtete ist.
6 ist z. B. eine stromaufwärtige oder stromabwärtige Ansicht der in 3 dargestellten Brennstoffdüsenanordnung. Wie dargestellt sind die erste Gruppe von Brennstoffdüsen 16 und die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 in einer alternierenden ringförmigen Anordnung 116 (z. B. eine der Brennstoffdüsen der ersten Gruppe von Brennstoffdüsen 16 gefolgt von einer der Brennstoffdüsen der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 18 gefolgt von einer weiteren Brennstoffdüse der ersten Gruppe von Brennstoffdüsen 16 usw.) angeordnet. Wie oben beschrieben kann jede der Brennstoffdüsen der ersten Gruppe von Brennstoffdüsen 16 zum Erzeugen eines Dralls in einer ersten Drallrichtung 118 eingerichtet sein, während jede der Brennstoffdüsen der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 18 zum Erzeugen eines Dralls in einer zweiten Drallrichtung 120 eingerichtet sein kann, wobei die erste Drallrichtung 118 der zweiten Drallrichtung 120 entgegen gerichtet ist. Im Einzelnen ist in dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel jede Brennstoffdüse der ersten Gruppe von Brennstoffdüsen 16 zum Erzeugen eines Dralls in einer Drehrichtung 118 im Uhrzeigersinn eingerichtet, während jede Brennstoffdüse der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 18 zum Erzeugen eines Dralls in einer Drehrichtung 120 entgegen dem Uhrzeigersinn eingerichtet ist.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 20 eine einzige Brennstoffdüse, die zentral innerhalb der alternierenden ringförmigen Anordnung der ersten und zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18 angeordnet ist. Die zentral angeordnete Brennstoffdüse 20 kann zum Erzeugen eines Dralls in einer dritten Drallrichtung 122 eingerichtet sein. Im Einzelnen ist die zentral angeordnete Brennstoffdüse 20 in dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel zum Erzeugen eines Dralls in einer Richtung 122 im Uhrzeigersinn eingerichtet. Demnach kann die zentral angeordnete Brennstoffdüse 20 zum Erzeugen eines Dralls in der gleichen Drallrichtung wie jede der Brennstoffdüsen der ersten Gruppe von Brennstoffdüsen 16 und in einer entgegen gesetzten Drallrichtung zu jeder der Brennstoffdüsen der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 18 eingerichtet sein.
Weiterhin können in bestimmten Ausführungsbeispielen mehrere Reihen von in Umfangsrichtung angeordneten Brennstoffdüsen verwendet werden. Die Brennstoffdüsenanordnung kann z. B. 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr konzentrische Reihen von Brennstoffdüsen aufweisen, die um die zentral angeordnete Brennstoffdüse herum angeordnet sind. Jede Reihe von Brennstoffdüsen kann eine erste und eine zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18 aufweisen, die in abwechselnder Weise um die jeweilige Reihe herum angeordnet sind. Weiterhin können die Brennstoffdüsen in jeder entsprechenden Reihe von Brennstoffdüsen in bestimmten Ausführungsbeispielen in der Größe variieren. Zum Beispiel kann die zentral angeordnete Brennstoffdüse 20 eine andere Größe (z. B. mit anderem Brennerrohraufbau, anderen Luftströmungen usw.) als die Brennstoffdüsen in der ersten Reihe von den in 6 dargestellten Brennstoffdüsen aufweisen.
Weil jede der Brennstoffdüsen in der ersten Gruppe von Brennstoffdüsen 16 einen Drall in der ersten Drallrichtung 118 entgegen gesetzt zu der von der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 18 erzeugten zweiten Drallrichtung 120 erzeugt, können die Relativgeschwindigkeiten (d. h. die Differenz zwischen den Geschwindigkeiten) der Luft-Brennstoff-Gemische an einem Berührpunkt 124 (d. h. einem Punkt, an dem die Strömungen der Luft-Brennstoff-Gemischen von benachbarten Brennstoffdüsen die Wege kreuzen) zwischen jeweils benachbarten Brennstoffdüsen in der alternierenden ringförmigen Anordnung 116 wesentlich verringert werden. Wenn die erste und die zweite Drallrichtung 118, 120 benachbarter Brennstoffdüsen im Gegensatz dazu die gleiche Richtung wären, würden z. B. die Relativgeschwindigkeiten der Luft-Brennstoff-Gemische an dem Berührpunkt 124 etwa das Doppelte der einzelnen Umfangsgeschwindigkeiten jedes Luft-Brennstoff-Gemisches betragen, was eine größere Scherung und mehr turbulenten Wärme-Masse-Austausch zwischen den benachbarten Luft-Brennstoff-Gemischen bewirken würde. Mit anderen Worten wären die Relativgeschwindigkeiten additiv (z. B. die zweifache Scherung), weil die Luft-Brennstoff-Gemische in entgegen gesetzten Richtungen an dem Berührpunkt 124 zirkulieren würden. Weil die erste Drallrichtung 118 der zweiten Drallrichtung 120 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel jedoch entgegen gerichtet ist, sind die Relativgeschwindigkeiten der Luft-Brennstoff-Gemische näherungsweise Null (z. B. eine Scherung von Null), weil die Luft-Brennstoff-Gemische an dem Berührpunkt 124 in der gleichen Richtung zirkulieren. Weil die zentral angeordnete Brennstoffdüse 20 einen Drall in der dritten Drallrichtung 122 entgegen der zweiten Drallrichtung 120, die von der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 18 erzeugt worden ist, erzeugt, können die Relativgeschwindigkeiten der Luft-Brennstoff-Gemische an einem Berührpunkt 124 zwischen diesen Brennstoffdüsen ebenfalls wesentlich verringert werden.
Diese Verringerung der Relativgeschwindigkeiten von Luft-Brennstoff-Gemischen zwischen benachbarten Brennstoffdüsen kann bei Teillastbetrieb der Brennkammer 12 besonders nützlich sein. Bei niedrigeren Leistungen des Turbinensystems 10 können weniger Brennstoffdüsen aktiviert sein (z. B. von Brennstoff durchströmt sein). Zum Beispiel sind die oben beschriebenen Modi 2–4 Szenarien, bei denen entweder die erste Gruppe von Brennstoffdüsen 16 oder die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 deaktiviert ist (z. B. nicht von Brennstoff durchflossen wird). In diesen deaktivierten Modi treten Flammen von den aktivierten (z. B. mit Brennstoff gespeisten) Gruppen von Brennstoffdüsen mit nur kühlender Luft von den deaktivierten (z. B. brennstofflosen) Gruppen von Brennstoffdüsen in Wechselwirkung. Zum Beispiel können die erste und die dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 20 unter der Annahme, dass das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel in dem Modus 4 betrieben wird, mit Brennstoff versorgt werden, während die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 brennstofflos ist. Demnach können Flammen von der ersten und dritten Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 20 mit nur kühlender Luft von der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 18 in Wechselwirkung treten.
Demnach kann mit geringfügigen Änderungen (z. B. entgegen gesetzte Drallrichtung) an den Drallerzeugerleitschaufeln 70 der Brennstoffdüsen bei einer der Gruppen von Brennstoffdüsen (z. B. der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 18 in dem in 6 dargestelltem Ausführungsbeispiel) die Wirkung der Scherung und des turbulenten Wärme-Masse-Austauschs zwischen benachbarten Brennstoffdüsen wesentlich verringert werden. Dies kann eine schnellere CO-Oxidation in dem der Brennkammer 12 des Turbinensystems 10 zugeführten Luft-Brennstoff-Gemisch ermöglichen, was verbesserte Teillasteigenschaften z. B. in dem gesamten Bereich bis hinunter zu dem oben beschriebenen Modus 1 ermöglicht. Demnach kann während der Niedriglastperioden weniger Brennstoff verbraucht werden, und die Notwendigkeit des Herunterfahrens und Hochfahrens von Einheiten des Turbinensystems 10 kann verringert werden.
Wie oben beschrieben ist das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel nicht die einzige Anordnung der Brennstoffdüsen, die verwendet werden könnte. Zum Beispiel stellen die 7 und 8 zwei weitere beispielhafte Anordnungen von Brennstoffdüsen dar. In den in den beiden 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen sind die erste Gruppe von Brennstoffdüsen 16 und die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 in einer alternierenden ringförmigen Anordnung 116 angeordnet, und jede Gruppe weist zwei Brennstoffdüsen auf. Wiederum kann jede der Brennstoffdüsen der ersten Gruppe von Brennstoffdüsen 16 zum Erzeugen eines Dralls in der ersten Drallrichtung 118 eingerichtet sein, während jede Brennstoffdüse der zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 18 zum Erzeugen eines Dralls in der zweiten Drallrichtung 120 eingerichtet sein kann, wobei die erste Drallrichtung 118 der zweiten Drallrichtung 120 entgegen gerichtet ist. Der Hauptunterschied zwischen den zwei in den 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen besteht darin, dass nur das in 7 dargestellte Ausführungsbeispiel eine zentral angeordnete Brennstoffdüse 20 innerhalb der alternierenden ringförmigen Anordnung 116 aufweist.
Darüber hinaus sind die zwei in den 7 und 8 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiele nicht die einzigen anderen Anordnungen von Brennstoffdüsen, die verwendet werden könnten. Wie oben beschrieben können die erste und die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18 z. B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr Brennstoffdüsen enthalten. Allgemein wird jedoch die erste Gruppe von Brennstoffdüsen 16 entweder die gleiche Anzahl von Brennstoffdüsen wie die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 oder eine Brennstoffdüse mehr als die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 18 enthalten. Weiterhin kann die dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 20 anstelle einer einzelnen, zentral angeordneten Brennstoffdüse 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr Brennstoffdüsen umfassen, die innerhalb der alternierenden ringförmigen Anordnung der ersten und zweiten Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18 angeordnet sind. Wie in 8 dargestellt könnte jedes Ausführungsbeispiel auch gar keine dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 20 enthalten.
Die technischen Wirkungen der offenbarten Ausführungsbeispiele umfassen die Schaffung von Systemen und Verfahren zum Absenken (d. h. Reduzieren) der Menge des gesamten Brennstoffstroms durch eine Anzahl von Brennstoffdüsen der Brennkammer 12 des Turbinensystems 10, während die Menge des durch das Turbinensystem 10 bei der Verbrennung des Brennstoffs innerhalb der Brennkammer 12 erzeugten CO minimiert wird. Wie oben beschrieben können insbesondere die erste und die zweite Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18 in einer alternierenden ringförmigen Anordnung angeordnet sein, so dass die Relativgeschwindigkeiten der Luft-Brennstoff-Gemische aus benachbarten Brennstoffdüsen im Wesentlichen minimiert werden.
Wie oben beschrieben kann die Steuerung 46 zum unabhängigen Steuern der Menge des Brennstoffs in die erste, zweite und dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 durch Steuern von Ventilen, Pumpen usw. stromaufwärts von der ersten, zweiten und dritten Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 eingerichtet sein. Demnach kann die erste, zweite und dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 drei getrennte Brennstoffzufuhrkreisläufe aufweisen, die von der Steuerung 46 unabhängig gesteuert werden können. Im Einzelnen kann die Steuerung 46 wie oben beschrieben dazu eingerichtet sein, einen Brennstoffstrom durch die erste, zweite und dritte Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 zu aktivieren oder zu deaktivieren, um den gesamten Brennstoffstrom in die Brennkammer 12 des Turbinensystems 10 hinein zu variieren, wodurch ein flexiblerer Teillastbetrieb des Turbinensystems 10 ermöglicht wird. Die Steuerung 46 kann in bestimmten Ausführungsbeispielen eine physikalische Rechenvorrichtung sein, die speziell zum Steuern von Ventilen, Pumpen usw. stromaufwärts von der ersten, zweiten und dritten Gruppe von Brennstoffdüsen 16, 18, 20 eingerichtet ist. Im Einzelnen kann die Steuerung 46 Eingabe/Ausgabe (I/O)-Einrichtungen enthalten, um zu bestimmen, wie die Steuerventile, Pumpen usw. zu steuern sind. Außerdem kann die Steuerung 46 in bestimmten Ausführungsbeispielen auch ein Speichermedium zum Speichern historischer Daten, theoretischer Leistungskurven usw. enthalten.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, die die beste Art enthalten, um die Erfindung zu offenbaren und einen Fachmann auch in die Lage zu versetzen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen und Systemen und der Durchführung aller enthaltenen Verfahren. Der patentierbare Bereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die Fachleuten einfallen. Es ist beabsichtigt, dass derartige weitere Beispiele innerhalb des Bereiches der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente enthalten, die nicht von dem Wortlaut der Ansprüche abweichen, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit nur unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
In bestimmten Ausführungsbeispielen enthält ein System eine Gasturbinensteuerung 46. Die Gasturbinensteuerung 46 weist einen ersten Betriebsmodus auf, der einen Brennstoffstrom nur durch eine erste Anzahl von Brennstoffdüsen 16 mit einer ersten Drallrichtung 118 ermöglicht. Die Gasturbinensteuerung 46 weist auch einen zweiten Betriebsmodus auf, der einen Brennstoffstrom nur durch eine zweite Anzahl von Brennstoffdüsen 18 mit einer zweiten Drallrichtung 120 ermöglicht, die der ersten Drallrichtung 118 entgegen gerichtet ist.
Bezugszeichenliste

10: Turbinensystem
12: Brennkammer
14: Brennstoffdüse
16: Erste Gruppe von Brennstoffdüsen
18: Zweite Gruppe von Brennstoffdüsen
20: Dritte Gruppe von Brennstoffdüsen
22: Brennstoffzufuhrstrom
24: Brennstoffzufuhrstrom
26: Brennstoffzufuhrstrom
28: Turbine
30: Abgasauslass
32: Welle
34: Verdichter
36: Lufteinlass
38: Erster verdichteter Luftstrom
40: Zweiter verdichteter Luftstrom
42: Dritter verdichteter Luftstrom
44: Last
46: Steuerung
48: Turbinenlaufschaufel
50: Verdichterlaufschaufel
52: Brennkammerkopfende
54: Endabdeckung
56: Endabdeckungsgrundfläche
58: Dichtverbindung
60: Äußere Umfangswand
62: Düsenzentralkörper
64: Luft-Brennstoff-Vormischer
66: Lufteinlass
68: Brennstoffeinlass
70: Drallerzeugerleitschaufel
72: Mischkanal
74: Brennstoffkanal
76: Axialrichtung
78: Radialrichtung
80: Umfangsrichtung
82: Brennstoffströmungsrichtung
84: Innere Endwand
86: Umgekehrte Brennstoffströmungsrichtung
88: Umkehrströmungskanal
90: Wand
92: Auslasskammer
94: Brennstoffströmungsrichtung
96: Teiler
98: Brennstoffeinlassöffnung
100: Luftstrom
102: Luft-Brennstoff-Gemischströmung
104: Stromaufwärtiger Endabschnitt
106: Stromabwärtiger Endabschnitt
108: Erste Seite
110: Zweite Seite
114: Drallrichtung des Luft-Brennstoff-Gemisches
116: Alternierende ringförmige Anordnung
118: Erste Drallrichtung
120: Zweite Drallrichtung
122: Dritte Drallrichtung
124: Berührungspunkt

Claims

System, das aufweist: Eine erste Anzahl von Brennstoffdüsen (16), die jeweils einen ersten Luftkanal (66), einen ersten Brennstoffkanal (74) und eine erste Drallerzeugervorrichtung (70) mit einer ersten Drallrichtung (118) aufweisen; eine zweite Anzahl von Brennstoffdüsen (18), die jeweils einen zweiten Luftkanal (66), einen zweite Brennstoffkanal (74) und eine zweite Drallerzeugervorrichtung (70) mit einer zweiten Drallrichtung (120) aufweisen, wobei die erste und die zweite Anzahl von Brennstoffdüsen (16, 18) in einem alternierenden ringförmigen Muster (116) angeordnet sind und die erste und die zweite Drallrichtung (118, 120) einander entgegengerichtet sind; und eine Steuerung (46), die zum Steuern eines ersten Brennstoffdurchsatzes durch den ersten Brennstoffkanal (74) und eines zweiten Brennstoffdurchsatzes durch den zweiten Brennstoffkanal (74) unabhängig voneinander eingerichtet ist.
System nach Anspruch 1, bei dem die Steuerung (46) einen ersten Betriebsmodus aufweist, der einen ersten Brennstoffdurchsatz durch den ersten Brennstoffkanal (74) und einen zweiten Brennstoffdurchsatz durch den zweiten Brennstoffkanal (74) aktiviert, wobei der erste Betriebsmodus einen Luftstrom durch den ersten und den zweiten Brennstoffkanal (66) aktiviert.
System nach Anspruch 2, bei dem die Steuerung (46) einen zweiten Betriebsmodus aufweist, der den ersten Brennstoffdurchsatz durch den ersten Brennstoffkanal (74) deaktiviert, während der zweite Betriebsmodus einen Luftstrom durch den ersten und den zweiten Luftkanal (66) aktiviert und den zweiten Brennstoffdurchsatz durch den zweiten Brennstoffkanal (74) aktiviert.
System nach Anspruch 3, bei dem die Steuerung (46) einen dritten Betriebsmodus aufweist, der den zweiten Brennstoffdurchsatz durch den zweiten Brennstoffkanal (74) deaktiviert, während der dritte Betriebsmodus einen Luftstrom durch den ersten und den zweiten Luftkanal (66) aktiviert und den ersten Brennstoffdurchsatz durch den ersten Brennstoffkanal (74) aktiviert, wobei die erste und die zweite Anzahl von Brennstoffdüsen (16, 18) eine unterschiedliche Anzahl von Brennstoffdüsen (14) umfassen.
System nach Anspruch 4, bei dem die erste Anzahl von Brennstoffdüsen (16) eine gerade Anzahl von Brennstoffdüsen (14) umfasst und die zweite Anzahl von Brennstoffdüsen (18) eine ungerade Anzahl von Brennstoffdüsen (14) umfasst.
System nach Anspruch 1, das weiterhin eine zentrale Brennstoffdüse (20) aufweist, die an einer zentralen Position innerhalb des alternierenden ringförmigen Musters (116) angeordnet ist, wobei die zentrale Brennstoffdüse (20) einen dritten Luftkanal (66), einen dritten Brennstoffkanal (74) und eine dritte Drallerzeugervorrichtung (70) mit einer dritten Drallrichtung (122) aufweist, wobei die Steuerung (46) zum Steuern eines dritten Brennstoffdurchsatzes durch den dritten Brennstoffkanal (74) unabhängig von dem ersten Brennstoffdurchsatz durch den ersten Brennstoffkanal (74) und dem zweiten Brennstoffdurchsatz durch den zweiten Brennstoffkanal eingerichtet ist.
System nach Anspruch 6, bei dem die Steuerung (46) einen ersten Betriebsmodus, der den ersten, den zweiten und den dritten Brennstoffdurchsatz aktiviert, einen zweiten Betriebsmodus, der den dritten Brennstoffdurchsatz aktiviert und den ersten und den zweiten Brennstoffdurchsatz deaktiviert, sowie einen dritten Betriebsmodus, der den ersten Brennstoffdurchsatz aktiviert und wenigstens den zweiten Brennstoffdurchsatz deaktiviert, aufweist.
System nach Anspruch 6, bei dem die erste Anzahl von Brennstoffdüsen (16) nur drei Brennstoffdüsen (14) umfasst, die zweite Anzahl von Brennstoffdüsen (18) nur zwei Brennstoffdüsen (14) umfasst und die zentrale Brennstoffdüse (20) nur eine Brennstoffdüse (20) umfasst.
System nach Anspruch 1, bei dem die erste Drallerzeugervorrichtung (70) eine erste Drallerzeugerleitschaufel (70) aufweist, die in dem ersten Luftkanal (66) angeordnet ist, und die zweite Drallerzeugervorrichtung (70) eine zweite Drallerzeugerleitschaufel (70) aufweist, die in dem zweiten Luftkanal (66) angeordnet ist.
System nach Anspruch 9, bei dem die erste Drallerzeugerleitschaufel (70) einen ersten Brennstoffauslass (98) aufweist, der mit dem ersten Brennstoffkanal (74) verbunden ist, und die zweite Drallerzeugerleitschaufel (70) einen zweiten Brennstoffkanal (98) aufweist, der mit dem zweiten Brennstoffkanal (74) verbunden ist.