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GEBIET DER ERFINDUNG
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Der vorliegende Gegenstand betrifft allgemein Gasturbinen und insbesondere die Verbesserung des Wirkungsgrads einer Gasturbine. Insbesondere betrifft der vorliegende Gegenstand ein System zur Zuführung von Zapfluft von einem Anzapfdiffusor zu einem sekundären Verbrennungssystem in einer Brennkammer, um den Gesamtwirkungsgrad einer Gasturbine zu verbessern.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Um den Wirkungsgrad der Verbrennung von Brennstoff und Luft innerhalb einer Brennkammer zu verbessern, enthalten Gasturbinen gewöhnlich einen Diffusor, der dazu ausgelegt ist, die Geschwindigkeit der unter Druck stehenden Luftströmung, die aus dem Verdichterabschnitt der Gasturbine austritt, zu reduzieren und den statischen Druck dieser unter Druck stehenden Luftströmung zu erhöhen. Ein Diffusor kann allgemein wenigstens eine divergierende Diffusorwand aufweisen, die der unter Druck stehenden Luftströmung ermöglicht, sich über die Länge des Diffusors hinweg zu zerstreuen oder auszubreiten. Wenn die unter Druck stehende Luftströmung jedoch durch den Diffusor strömt, erzeugt die Reibung entlang der Diffusorwand bzw. der Diffusorwände eine Grenzschicht, in der die Geschwindigkeit der Luftströmung deutlich kleiner ist als die Geschwindigkeit des Hauptluftstroms. Somit kann die Bildung einer Grenzschicht dazu führen, dass eine Luftströmung in den Brennkammerabschnitt einer Gasturbine eintritt, die ein ungleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil zeigt. Dies kann die Verbrennung in den Brennkammern negativ beeinflussen und den Gesamtwirkungsgrad einer Gasturbine reduzieren. Außerdem können sich deutliche Strömungsverluste ergeben, wenn sich die Grenzschicht von der Diffusorwand ablöst, was auftreten kann, wenn der Divergenzwinkel der Diffusorwand bzw. -wände zu breit ist. Folglich müssen Diffusoren gewöhnlich relativ lang sein, um die benötigte statische Druckerholung zu erhalten, ohne eine Grenzschichtablösung hervorzurufen.
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Um diese Probleme zu überwinden, sind Anzapfdiffusoren bekannt, die Luft, die benachbart zu der Diffusorwand bzw. den Diffusorwänden strömt, aus dem Hauptluftstrom abzapfen bzw. entnehmen. Insbesondere kann ein Anzapfdiffusor verwendet werden, um die Grenzschichtgröße zu reduzieren, indem die gesamte Grenzschicht oder ein Teil derselben von dem Hauptluftstrom weggeleitet wird. Dies kann die Wahrscheinlichkeit von Strömungsverlusten aufgrund einer Grenzschichtablösung reduzieren und bringt auch einen kürzeren Diffusor hervor, der weite Divergenzwinkel aufnehmen kann, um eine deutliche Steigerung der statischen Druckerholung stromabwärts von dem Verdichterabschnitt zu ermöglichen. In der Folge wird jedoch das verbesserte Verhalten eines Anzapfdiffusors häufig durch die Reduktion des Gesamtwirkungsgrades und des gesamten Leistungsverhaltens der Gasturbine, die durch Abzapfung von Druckluft aus dem Hauptluftstrom verursacht ist, ausgeglichen. Insbesondere reduzieren abgezapfte Teile der den Verdichterabschnitt verlassenden Luft die Menge der verdichteten Luft, die zur Kühlung von Turbinenkomponenten oder zur Erhöhung des Turbineneinlassdrucks zur Verfügung steht.
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US 2008 / 0 264 033 A1 und
DE 697 24 031 T2 beschreiben Gasturbinensysteme mit einem Verdichterabschnitt, einem Brennkammerabschnitt und einem Turbinenabschnitt, wobei der Brennkammerabschnitt ein sekundäres Verbrennungssystem aufweist, das stromabwärts von einem Hauptverbrennungssystem angeordnet ist und magerbetriebene Brennstoff/Luft-Direkteinspritzinjektoren aufweist.
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US 2007 / 0 068 165 A1 beschreibt eine Gasturbine mit einem Verdichter und einem Anzapfdiffusor stromabwärts des Verdichters, der eingerichtet ist, um eine Fluidströmung der Verdichteraustrittsluft in zwei Teilströme aufzuteilen, die dann zu verschiedenen Abschnitten einer Ringbrennkammer geleitet werden. Ein erster Teilstrom wird zu der radial inneren Ringbrennkammerwand geleitet, um diese zu kühlen, und wird anschließend in einem Brenner mit einem Brennstoff vermischt, wobei das Gemisch in der Ringbrennkammer verbrannt wird, um heiße Verbrennungsgase zu bilden. Ein zweiter Teilstrom wird zu der radial äußeren Ringbrennkammerwand geleitet und dann in den Brenner weitergeleitet, mit einem Brennstoff vermischt und in einem Brennraum verbrannt, um die heißen Verbrennungsgase zu bilden.
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Demgemäß würde ein System in einer Gasturbine, das die Vorteile eines Anzapfdiffusors ohne den durch Abzapfen von Druckluft aus dem Hauptluftstrom verursachten Verlust des Wirkungsgrades und der Leistung bietet, in der Technik begrüßt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aspekte und Vorteile des vorliegenden Gegenstandes sind zum Teil in der folgenden Beschreibung angegeben oder können aus der Beschreibung offenkundig werden, oder sie können durch Umsetzung des vorliegenden Gegenstandes in die Praxis erfahren werden.
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In einem Aspekt ergibt der vorliegende Gegenstand ein System zur Modifikation des statischen Drucks einer Verdichteraustrittsluft und der Emissionserzeugung in einer Gasturbine. Das System enthält einen Anzapfdiffusor, der stromabwärts von einem Verdichterabschnitt der Gasturbine positioniert ist, ein sekundäres Verbrennungssystem, das stromabwärts von einem Hauptverbrennungssystem in einer Brennkammer angeordnet ist, und einen Zapfkanal, der sich von dem Anzapfdiffusor erstreckt. Der Anzapfdiffusor enthält einen Diffusorkanal, der durch eine divergierende Außenwand des Anzapfdiffusors in einem Verdichteraustrittsgehäuse definiert ist, so dass der Anzapfdiffusor eingerichtet ist, um eine unter Druck gesetzte Luftströmung, die von dem Verdichterabschnitt durch den Diffusorkanal strömt, zu zerstreuen. Das sekundäre Verbrennungssystem weist wenigstens einen Brennstoffinjektor auf, der eingerichtet ist, um Brennstoff von einer Brennstoffquelle zu empfangen und abzugeben. Der Zapfkanal ist konfiguriert, um Zapfluft aus der unter Druck stehenden Luftströmung, die aus dem Verdichterabschnitt austritt, zu dem sekundären Verbrennungssystem zu leiten. Der Anzapfdiffusor enthält eine Wirbelkammer, die in der divergierenden Außenwand des Anzapfdiffusors angeordnet und mit dem Diffusorkanal über einen Durchgang strömungsmäßig verbunden ist, der an der Innenseite der divergierenden Außenwand des Anzapfdiffusors endet, so dass eine Grenzschicht, die gebildet wird, wenn die unter Druck gesetzte Luftströmung durch den Diffusorkanal strömt, aus der Hauptluftströmung in dem Diffusorkanal in den Durchgang eingezogen wird, einen Strömungswirbel in der Wirbelkammer bildet und als die Zapfluft von der Wirbelkammer abgezapft und über den Zapfkanal zu dem sekundären Verbrennungssystem geleitet wird. Die in das sekundäre Verbrennungssystem einströmende Zapfluft wird mit einem Brennstoff aus dem wenigstens einen Brennstoffinjektor vermischt, um ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu bilden.
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In einem weiteren Aspekt ergibt der vorliegende Gegenstand eine Gasturbine, die einen Verdichterabschnitt enthält, der konfiguriert ist, um eine Luftströmung unter Druck zu setzen, und einen Brennkammerabschnitt, der stromabwärts von dem Verdichterabschnitt angeordnet ist. Der Brennkammerabschnitt enthält wenigstens eine Brennkammer, die konfiguriert ist, um ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu mischen und zu verbrennen. Ein Turbinenabschnitt ist stromabwärts von dem Brennkammerabschnitt angeordnet und konfiguriert, um heiße Verbrennungsprodukte zu empfangen, die aus dem Brennkammerabschnitt strömen. Die Gasturbine enthält ferner das vorstehend beschriebene und hierin in größeren Einzelheiten erläuterte und veranschaulichte System.
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile des vorliegenden Gegenstandes werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verstanden. Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Offenbarung enthalten sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen Ausführungsformen des vorliegenden Gegenstandes und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien des vorliegenden Gegenstandes zu erläutern.
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Figurenliste
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Eine vollständige und eine Umsetzung ermöglichende Offenbarung des vorliegenden Gegenstandes, einschließlich dessen bester Ausführungsart, die sich an einen Fachmann auf dem Gebiet richtet, ist in der Beschreibung angegeben, die auf die beigefügten Figuren Bezug nimmt, in denen zeigen:
- 1 eine Querschnittansicht eines Teils einer Gasturbine;
- 2 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Systems zur Steigerung der statischen Druckerholung und zur Reduktion von Emissionen in einer Gasturbine gemäß Aspekten des vorliegenden Gegenstandes;
- 3 eine stark vergrößerte Ansicht einer Ausführungsform eines Anzapfdiffusors gemäß Aspekten des vorliegenden Gegenstandes;
- 4 eine Schnittansicht nach 2, die insbesondere Ausführungsformen eines Zapfkanals, einer Halterung und eines sekundären Verbrennungssystems gemäß Aspekten des vorliegenden Gegenstandes veranschaulicht;
- 5 eine stark vergrößerte Ansicht eines Abschnitts aus 4, die insbesondere eine Ausführungsform eines Brennstoffinjektors eines sekundären Verbrennungssystems gemäß Aspekten des vorliegenden Gegenstandes veranschaulicht;
- 6 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Systems zur Steigerung der statischen Druckerholung und zur Reduktion von Emissionen in einer Gasturbine gemäß Aspekten des vorliegenden Gegenstandes;
- 7 eine Schnittansicht aus 6, die insbesondere Ausführungsformen eines Zapfkanals, einer Halterung und eines sekundären Verbrennungssystems gemäß Aspekten des vorliegenden Gegenstandes veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsformen des vorliegenden Gegenstandes Bezug genommen, von dem ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Jedes Beispiel ist zu Zwecken der Erläuterung und nicht zur Beschränkung des vorliegenden Gegenstandes vorgesehen. In der Tat wird es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass an dem vorliegenden Gegenstand verschiedene Modifikationen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Rahmen und Umfang des vorliegenden Gegenstandes abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, im Zusammenhang mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine noch weitere Ausführungsform zu ergeben. Somit besteht die Absicht, dass der vorliegende Gegenstand derartige Modifikationen und Veränderungen mit umfasst, sofern sie in dem Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente liegen.
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Bezugnehmend auf 1, ist dort eine vereinfachte Zeichnung eines Teils einer Gasturbine 10 veranschaulicht. Die Gasturbine 10 weist einen Verdichterabschnitt 14 auf, der konfiguriert ist, um Luft unter Druck zu setzen, die in die Turbine 10 einströmt. Die aus dem Verdichterabschnitt 14 ausgegebene Druckluft strömt in den Brennkammerabschnitt 16 hinein, in dem die Luft mit einem Brennstoff vermischt und verbrannt wird. Heiße Verbrennungsgase strömen aus dem Brennkammerabschnitt 16 zu einem Turbinenabschnitt 18, um die Gasturbine 10 anzutreiben und Leistung zu erzeugen.
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Der Verdichterabschnitt 14 ist allgemein durch eine Reihe von Leitschaufeln und Laufschaufeln 20 gekennzeichnet, die verwendet werden, um in die Gasturbine 10 einströmende Luft zu verdichten. Die unter Druck gesetzte Luftströmung, die aus dem Verdichterabschnitt 14 austritt, kann durch einen Diffusor 22 strömen, der durch das Verdichteraustrittsgehäuse 24 definiert ist, bevor sie in den Brennkammerabschnitt 16 eintritt. Der Diffusor 22 kann allgemein wenigstens eine divergierende Diffusorwand 26 enthalten, die einen Strömungspfad mit zunehmendem Querschnitt für die Luftströmung bildet. Da die Querschnittsfläche des Strömungspfads zunimmt, zerstreut sich oder breitet sich die Luftströmung aus, wodurch die Geschwindigkeit der Luftströmung verringert und der statische Druck der Luftströmung vergrößert wird. Die zerstreute Luftströmung, die den Diffusor 22 verlässt, strömt anschließend durch eine ringförmige Plenumkammer 28 hindurch zu dem Brennkammerabschnitt 16, der allgemein durch mehrere Brennkammern 30 gekennzeichnet ist, die in einer kreisringförmigen Anordnung rings um die Achse der Maschine angeordnet sind (von denen in 1 lediglich eine einzige veranschaulicht ist).
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Weiterhin bezugnehmend auf 1 kann jede Brennkammer 30 in einer Gasturbine 10 ein Hauptverbrennungssystem 32 zur Mischung und Verbrennung eines Luft/Brennstoff-Gemisches und ein Übergangsstück 34 enthalten, um heiße Verbrennungsgase zu einem Leitapparat 36 der ersten Stufe des Turbinenabschnitts 18 strömen zu lassen. Das Hauptverbrennungssystem 32 kann ein Brennkammergehäuse 38, eine Endabdeckung 40, mehrere Vormischbrennstoffdüsenanordnungen 42, eine Strömungshülse 44 und ein Brennkammerflammrohr 46 aufweisen, das in der Strömungshülse 44 angeordnet ist. Während des Betriebs strömt zerstreute Luft, die den Diffusor 22 verlässt, durch die ringförmige Kammer 28 und tritt in jede Brennkammer 30 durch die Strömungshülse 44 und die Prallhülse 48 des Übergangsstücks 34 hinein, worin sie verwirbelt und mit einem Brennstoff vermischt wird, der in jede Brennstoffdüsenanordnung 42 injiziert wird. Das Luft/Brennstoff-Gemisch, das jede Brennstoffdüsenanordnung 42 verlässt, strömt in eine durch das Brennkammerflammrohr 46 definierte Reaktionszone 50 hinein, in der es verbrannt wird. Die heißen Verbrennungsgase strömen anschließend durch das Übergangsstück 34 zu dem Turbinenabschnitt 18, um die Turbine 10 anzutreiben und Elektrizität zu erzeugen. Es sollte jedoch verstanden werden, dass das Hauptverbrennungssystem 32 nicht in der vorstehend beschriebenen und hierin veranschaulichten Weise konfiguriert sein muss und allgemein jede beliebige Konfiguration aufweisen kann, die einem brennbaren Gemisch ermöglicht, gemischt und verbrannt zu werden. Ferner sollte verstanden werden, dass das Hauptverbrennungssystem 32 weitere Komponenten aufweisen kann, die hier nicht beschrieben oder veranschaulicht sind.
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Gemäß einem Aspekt des vorliegenden Gegenstandes veranschaulicht 2 eine Ausführungsform eines Systems zur Modifikation der Effizienz bzw. des Wirkungsgrads einer Gasturbine 10 beispielsweise durch Steigerung der statischen Druckerholung und durch Reduktion der Erzeugung luftverschmutzender Emissionen. Das System enthält einen Anzapfdiffusor 52, der stromabwärts von dem Verdichterabschnitt 14 positioniert ist, und einen Zapfkanal 54, der sich von dem Anzapfdiffusor 52 aus erstreckt. Der Zapfkanal 54 kann konfiguriert sein, um Zapfluft 56 (3, 4, 5 und 7) aus dem unter Druck stehenden Luftstrom, der den Verdichterabschnitt 14 verlässt, zu einem sekundären Verbrennungssystem 58 zu führen, das stromabwärts von dem Hauptverbrennungssystem 32 (1) angeordnet ist. Die Zapfluft 56, die in das sekundäre Verbrennungssystem 58 einströmt, kann mit einem Brennstoff vermischt werden, um ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu bilden, und in einer Reaktionszone 50 der Brennkammer 30 verbrannt werden.
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Der Anzapfdiffusor 52 gemäß dem vorliegenden Gegenstand kann allgemein konfiguriert sein, um den unter Druck stehenden Luftstrom, der aus dem Verdichterabschnitt 14 strömt, zu zerstreuen bzw. sich ausbreiten zu lassen. Insbesondere kann der Anzapfdiffusor 52 konfiguriert sein, um die Geschwindigkeit der Luftströmung zu verringern und dadurch den statischen Druck der Luftströmung, die durch die ringförmige Kammer 28 strömt, zu erhöhen. In der Ausführungsform weist der Anzapfdiffusor 52 einen wirbelgesteuerten Diffusor (Diffusor mit Wirbelsteuerung) (VCD, Vortex Controlled Diffusor) auf, der durch das Verdichteraustrittsgehäuse 24 definiert ist. Außerdem sollte verstanden werden, dass der VCD, der bei dem vorliegenden Gegenstand eingesetzt wird, nicht in der nachstehend beschriebenen und hierin veranschaulichten Weise konfiguriert sein muss, sondern jede beliebige Konfiguration oder Anordnung im Geltungsbereich der Ansprüche aufweisen kann.
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Es ist festgestellt worden, dass ein VCD in einer Gasturbine 10 eingesetzt werden kann, um deutlich höhere statische Druckerholungen auf einer relativ kurzen Länge zu ergeben. Diese gesteigerte Druckerholung ergibt eine erhöhte Druckdifferenz zwischen der Luft, die durch die ringförmige Kammer 28 strömt, und den heißen Verbrennungsgasen, die in der Brennkammer 30 strömen. Da diese Druckdifferenz steigt, können die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad und die Leistung einer Gasturbine 10 deutlich verbessert werden. Insbesondere kann eine vergrößerte Druckdifferenz die Auswirkung der Verwendung eines Teils der Luftströmung zur Kühlung von Turbinenkomponenten minimieren und auch den Turbineneinlassdruck erhöhen. Außerdem kann die Verwendung eines VCDs durch Reduktion der Länge des Rotors die mit der Herstellung einer Gasturbine 10 verbundenen Kosten reduzieren.
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Bezugnehmend auf 3 ist dort eine stark vergrößerte Ansicht einer Ausführungsform eines Anzapfdiffusors 52 veranschaulicht. Wie veranschaulicht weist der Anzapfdiffusor 52 einen hybriden VCD auf, der eine Wirbelkammer 60 und einen Nachdiffusor 62 mit weitem Winkel enthält, die beide durch das Verdichteraustrittsgehäuse 24 definiert sind. Die Wirbelkammer 60 kann eine Wirbelwand 64 enthalten, die eine Wandung der Wirbelkammer 60 definiert. Es sollte jedoch verstanden werden, dass ein VCD mehr als eine einzige Wirbelkammer 60 enthalten kann. Zum Beispiel kann eine (nicht veranschaulichte) zweite Wirbelkammer in dem Verdichteraustrittsgehäuse 24 auf der zu der Wirbelkammer 60 gegenüberliegenden Stelle oder stromaufwärts von der Wirbelkammer 60 ausgebildet sein. Außerdem kann der Anzapfdiffusor 52 ferner einen Vordiffusor 66 aufweisen, um den statischen Druck der Luftströmung stromaufwärts von der Wirbelkammer 60 zu erhöhen.
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Während des Betriebs der veranschaulichten Ausführungsform kann die Grenzschicht, die gebildet wird, wenn die unter Druck gesetzte Luftströmung durch den Vordiffusor 66 strömt, durch die Anordnung der Wirbelwand 64 in der Wirbelkammer 60 aus dem Hauptluftstrom eingezogen werden. Dies erzeugt einen Strömungwirbel in der Wirbelkammer 60 und erzeugt eine turbulente Scherschicht stromabwärts von der Kammer 60, die eine Grenzschichtablösung in dem einen breiten Winkel aufweisenden Nachdiffusor 62 verhindert. Der Teil der Luftströmung, der aus dem Hauptluftstrom eingezogen wird, kann anschließend als Zapfluft 56 von der Wirbelkammer 60 abgezapft bzw. abgeleitet werden, um verschiedene Komponenten der Gasturbine 10 zu kühlen oder um in einem sekundären Verbrennungssystem 58 verwendet zu werden, wie dies in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben ist.
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Bezugnehmend auf 2 und 4 erstreckt sich ein Zapfkanal 54 von dem Anzapfdiffusor 52 zu einem sekundären Verbrennungssystem 58 und kann konfiguriert sein, um Zapfluft 56 zu dem sekundären Verbrennungssystem 58 zu leiten. Somit kann in der veranschaulichten Ausführungsform in die Wirbelkammer 60 eingezogene Luft aus dem Hauptluftstrom durch den Zapfkanal 54 abgeleitet werden. Wie veranschaulicht, kann ein unterer Teil des Zapfkanals 54 durch einen Durchgang 59 definiert sein, der in dem Verdichteraustrittsgehäuse 24 ausgebildet ist, während ein oberer Abschnitt des Zapfkanals 54 durch eine Klammer bzw. Halterung 70 definiert sein kann, die an dem Verdichteraustrittsgehäuse 24 montiert ist. Es sollte verstanden werden, dass die Halterung 70 an dem Verdichteraustrittsgehäuse 24 durch jedes geeignete Mittel montiert sein kann. Außerdem können zwischen dem Verdichteraustrittsgehäuse 24 und der Halterung 70 (nicht veranschaulichte) Dichtungen enthalten sein, um die Strömung der Zapfluft 56 beim Durchgang durch den Zapfkanal 54 hinreichend abzudichten. Die Halterung 70 kann auch konfiguriert sein, um an dem Übergangsstück 34 montiert zu sein und dieses zu haltern. Zum Beispiel kann, wie in 4 veranschaulicht, die Halterung 70 an der Prallhülse 48 des Übergangsstücks 34 montiert sein. Ein Fachmann auf dem Gebiet sollte verstehen, dass die Halterung 70 durch jedes beliebige geeignete Mittel an dem Übergangsstück 34 gesichert sein kann. Es sollte ferner verstanden werden, dass jede beliebige Montage- oder Sicherungseinrichtung, die verwendet wird, um die Halterung 70 an dem Übergangsstück 34 zu sichern, konfiguriert sein kann, um die Wärmeausdehnung des Übergangsstücks 34 aufzunehmen. Ferner können (nicht veranschaulichte) Dichtungen auch an der Verbindung zwischen der Halterung 70 und dem Übergangsstück 34 enthalten sein, um die Strömung der Zapfluft 56 dichtend einzuschließen.
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In der veranschaulichten Ausführungsform kann die Halterung 70 ferner hohl sein, um so wenigstens einen Strömungspfad für die Zapfluft 56 zu bilden, die durch den Zapfkanal 54 strömt. Wie in 4 veranschaulicht, kann die Halterung 70 y-förmig gestaltet sein und einen ersten Strömungspfad 72 sowie einen zweiten Strömungspfad 74 enthalten, der einen oberen Abschnitt des Zapfkanals 54 definiert. Außerdem sollte verstanden werden, dass der Zapfkanal 54 ferner ein (nicht veranschaulichtes) Ventil oder allgemein jedes beliebige sonstige Mittel zur Absperrung der Zufuhr der Zapfluft 56, die durch den Zapfkanal 54 zu dem sekundären Verbrennungssystem 58 strömt, enthalten kann.
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Wie oben erwähnt, kann der Zapfkanal 54 konfiguriert sein, um die Zapfluft 56 zu einem sekundären Verbrennungssystem 58 zu leiten, das stromabwärts von dem Hauptverbrennungssystem 32 (1) in einer Brennkammer 30 angeordnet ist. Das sekundäre Verbrennungssystem 58 kann allgemein zum Beispiel wenigstens einen Brennstoffinjektor 76 enthalten, der konfiguriert ist, um Brennstoff von einer Brennstoffquelle 80 (4, 5 und 7) zu empfangen und auszugeben. Außerdem sollte verstanden werden, dass das sekundäre Verbrennungssystem 58 weitere Komponenten enthalten kann und allgemein jede beliebige Anordnung oder Konfiguration aufweisen kann. Zum Beispiel kann das sekundäre Verbrennungssystem 58 eine späte magere Einspritzeinrichtung oder eine magere Direkteinspritzeinrichtung aufweisen. Vorzugsweise kann das sekundäre Verbrennungssystem 58 derart konfiguriert sein, dass Brennstoff oder ein Luft/Brennstoff-Gemisch in eine Reaktionszone 50 der Brennkammer 30 eingeleitet und durch die heißen Verbrennungsgase, die von dem Hauptverbrennungssystem 32 (1) strömen, gezündet werden kann. Somit kann das sekundäre Verbrennungssystem 58 höhere Feuerungstemperaturen innerhalb einer Brennkammer 30 ermöglichen, während die Bildungsrate schädlicher Emissionen, wie beispielsweise NOx, bei einem Minimum gehalten wird. Dies kann erreicht werden, indem ein mageres Luft/BrennstoffGemisch aus dem sekundären Verbrennungssystem 58 abgegeben wird um sicherzustellen, dass die Verbrennungsreaktionstemperaturen unter der stöchiometrischen Flammentemperatur bleiben. Außerdem können kurze Verweilzeiten innerhalb des Übergangsstücks 54 thermische NOx-Bildungsraten gering halten.
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Eine Ausführungsform des sekundären Verbrennungssystems 58 ist in den 2, 4 und 5 veranschaulicht. Bezugnehmend auf 4 kann das sekundäre Verbrennungssystem 58 ein Paar Brennstoffinjektoren 76 enthalten. Zum Beispiel kann ein erster Brennstoffinjektor 76 in dem ersten Strömungspfad 72 der Halterung 70 angeordnet sein, und ein zweiter Brennstoffinjektor 76 kann in dem zweiten Strömungspfad 74 der Halterung 70 angeordnet sein, wobei die Kombination der Strömungspfade 72, 74 einen Abschnitt des Zapfkanals 54 definiert. Außerdem können die Brennstoffinjektoren 76 mit einer Brennstoffquelle 80 in Strömungsverbindung stehen, so dass die Injektoren 76 Brennstoff von der Brennstoffquelle 80 empfangen und ausgeben können. Wie insbesondere in 5 veranschaulicht, können die Brennstoffinjektoren 76 in der Halterung 70 als eine gesonderte Komponente montiert sein. Jedoch sollte verstanden werden, dass die Brennstoffinjektoren 76 als integraler Teil der Halterung 70 ausgebildet sein können. Es sollte ferner verstanden werden, dass die veranschaulichten Brennstoffinjektoren 76 für veranschaulichende Zwecke vereinfacht worden sind. Folglich können in dem System des vorliegenden Gegenstandes Brennstoffinjektoren 76 verwendet werden, die weitere Komponenten aufweisen und die unterschiedliche Konfigurationen aufweisen. Zum Beispiel können die Brennstoffinjektoren 76 Verwirblerleitschaufeln enthalten, um der an den Injektoren 76 vorbeiströmenden Zapfluft 56 eine Drehbewegung zu verleihen.
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Während eines Betriebs einer Gasturbine 10 gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Gegenstandes wird das sekundäre Verbrennungssystem 58 mit der Zapfluft 56 gespeist, die durch den Zapfkanal 54 strömt. Es sollte verstanden werden, dass die Druckdifferenz zwischen der Zapfluft 56, die durch den Zapfkanal 54 geliefert wird, und den Verbrennungsprodukten, die durch die Brennkammer 30 strömen, die Zapfluft 56 durch das sekundäre Verbrennungssystem hindurch und in die Reaktionszone 50 der Brennkammer 30 hinein treibt. Während die Zapfluft 56 an den Brennstoffinjektoren 76 vorbeiströmt, wird sie mit dem von den Injektoren 76 ausgegebenen Brennstoff vermischt. Das Luft/Brennstoff-Gemisch strömt anschließend durch Überleit- bzw. Verbindungsrohre 82, die jeweils einen Kanal für das Luft/Brennstoff-Gemisch definieren, um durch die Prallhülse 48 und die Übergangsstückwand 33 hindurchzutreten, und wird in einer Reaktionszone 50 durch die aus dem Hauptverbrennungssystem 32 strömenden Verbrennungsprodukte gezündet.
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Eine alternative Ausführungsform des sekundären Verbrennungssystems 58 ist in den 6 und 7 dargestellt. Das sekundäre Verbrennungssystem 58 enthält einen Luftverteiler 84, der zwischen der Klammer bzw. Halterung 70 und der Prallhülse 48 des Übergangsstücks 34 angeordnet ist. Der Luftverteiler 84 kann konfiguriert sein, um aus dem Zapfkanal 54 strömende Zapfluft 56 aufzunehmen. Insbesondere kann der Luftverteiler 84 konfiguriert sein, um die Zapfluft 56 zu empfangen, die aus dem ersten und dem zweiten Strömungspfad 72, 74 der Halterung 70 strömt, die beide einen Teil des Zapfkanals 54 definieren.
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Außerdem kann das sekundäre Verbrennungssystem 58 mehrere Brennstoffinjektoren 76 enthalten, die in dem Luftverteiler 84 im Abstand zueinander angeordnet sind. Wie in 7 veranschaulicht, enthält das sekundäre Verbrennungssystem 58 fünf voneinander beabstandete Brennstoffinjektoren 76, die in dem ringförmigen Luftverteiler 84 montiert sind, wobei jeder Brennstoffinjektor 76 konfiguriert ist, um Brennstoff von einer Brennstoffquelle 80 zu empfangen und auszugeben. Jedoch sollte verstanden werden, dass jede beliebige Anzahl von Brennstoffinjektoren 76 in dem Luftverteiler 84 angeordnet sein kann. Es sollte ferner verstanden werden, dass die Brennstoffinjektoren 76 als ein integraler Teil des Luftverteilers 84 ausgebildet oder in dem Luftverteiler 84 in Form einer gesonderten Komponente montiert sein können. Ferner sollte verstanden werden, dass der Luftverteiler 84 nicht ringförmig gestaltet sein muss, sondern jede beliebige geeignete Gestalt aufweisen kann. Zum Beispiel kann der Luftverteiler 84 halb- bzw. teilkreisförmig sein.
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Die Betriebsweise des in den 6 und 7 veranschaulichten sekundären Verbrennungssystems 58 ist der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ähnlich. Insbesondere tritt Zapfluft 56, die durch den Zapfkanal 54 strömt, in den Luftverteiler 84 ein, worin sie mit aus jedem der Brennstoffinjektoren 76 abgegebenem Brennstoff vermischt wird. Das Luft/Brennstoff-Gemisch strömt anschließend durch die Überleit- bzw. Verbindungsrohre 82 und wird in einer Reaktionszone 50 durch die Verbrennungsprodukte gezündet, die aus dem Hauptverbrennungssystem 32 (1) strömen.
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Es sollte ferner verstanden werden, dass der vorliegende Gegenstand ferner eine Gasturbine mit erhöhter statischer Druckerholung und reduzierten Emissionen ergibt. Die Gasturbine 10 kann einen Verdichterabschnitt 14, der konfiguriert ist, um eine in die Gasturbine 10 eintretende Luftströmung unter Druck zu setzen, und einen Brennkammerabschnitt 16 enthalten, der stromabwärts von dem Verdichterabschnitt 14 angeordnet ist. Der Brennkammerabschnitt 16 kann wenigstens eine Brennkammer 30 enthalten, die konfiguriert ist, um die unter Druck gesetzte Luftströmung zu empfangen, die aus dem Verdichterabschnitt 14 abgegeben wird. Außerdem kann die Brennkammer 30 ein Hauptverbrennungssystem 32 enthalten, das konfiguriert ist, um ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu mischen und zu verbrennen. Ein Turbinenabschnitt 18 kann stromabwärts des Brennkammerabschnitts 16 angeordnet und konfiguriert sein, um heiße Verbrennungsprodukte zu empfangen, die aus dem Brennkammerabschnitt 16 strömen. Die Gasturbine kann ferner das System gemäß dem vorliegenden Gegenstand enthalten, wie es hierin erläutert und veranschaulicht ist.
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Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um den vorliegenden Gegenstand, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, den vorliegenden Gegenstand umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang des vorliegenden Gegenstandes ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente enthalten, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
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Der vorliegende Gegenstand ergibt ein System zur Modifikation der statischen Druckerholung und Emissionsbildung in einer Gasturbine. Das System enthält einen Anzapfdiffusor 52, der stromabwärts von dem Verdichterabschnitt 14 einer Gasturbine 10 positioniert ist, und einen Zapfkanal 54, der sich von dem Anzapfdiffusor 52 aus erstreckt. Der Zapfkanal 54 kann konfiguriert sein, um von dem Anzapfdiffusor 52 abgezapfte Luft zu einem sekundären Verbrennungssystem 58 zu führen. Die in das sekundäre Verbrennungssystem 58 einströmende Luft kann mit Brennstoff vermischt werden, um ein Luft/BrennstoffGemisch zu bilden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbine
- 14
- Verdichterabschnitt
- 16
- Brennkammerabschnitt
- 18
- Turbinenabschnitt
- 20
- Leitschaufeln und Laufschaufeln
- 22
- Diffusor
- 24
- Verdichteraustrittsgehäuse
- 26
- Diffusorwand
- 28
- Ringförmige Plenumkammer
- 30
- Brennkammer
- 32
- Hauptverbrennungssystem
- 33
- Übergangsstückwand
- 34
- Übergangsstück
- 36
- Leitapparat der ersten Stufe
- 38
- Brennkammergehäuse
- 40
- Endabdeckung
- 42
- Vormischbrennstoffdüsenanordnung
- 44
- Strömungshülse
- 46
- Brennkammerflammrohr
- 48
- Prallhülse
- 50
- Reaktionszone
- 52
- Anzapfdiffusor
- 54
- Zapfkanal
- 56
- Zapfluft
- 58
- Sekundäres Verbrennungssystem
- 59
- Durchgang
- 60
- Wirbelkammer
- 62
- Nachdiffusor
- 64
- Wirbelwand
- 66
- Vordiffusor
- 70
- Klammer, Halterung
- 72, 74
- Strömungspfade
- 76
- Brennstoffinjektor
- 80
- Brennstoffquelle
- 82
- Überleitrohr, Verbindungsrohr
- 84
- Luftverteiler
